Zakup odpowiedniego wymiennika ciepła nie jest prostą sprawą, gdyż należy zwrócić uwagę na materiały zastosowane w wymienniku. Ponieważ muszą one być dostosowane do czynników, które będą oddziaływać na dane urządzenie. Kolejnym elementem, jaki należy wziąć pod uwagę przy wyborze wymiennika, jest jego układ sterowania. Dlatego produkując i sprzedając wymienniki ciepła warto jest znać kryteria doboru materiałów stosowanych przy produkcji wymienników.

Kryteria doboru materiałów

Do czynników, które musimy wziąć pod uwagę, wybierając wymiennik ciepła, należą jednakowo materiały, z których jest wykonany, jego przeznaczenie, a także obowiązujące przepisy czy cena produktu.

Właściwości materiałów

Decydując się na wymiennik ciepła, musimy zwrócić uwagę, na właściwości materiałów wykorzystane do jego wyrobu. Do istotnych parametrów konstrukcji wymiennika ciepła zalicza się m.in.:

• rozszerzalność cieplną,
• współczynnik przewodzenia ciepła,
• wytrzymałość,
• formowalność,
• spawalność.

Właściwości chemiczne i fizyczne płynów

Jednym z głównych czynników, które decydują o doborze użytych materiałów, są właściwości chemiczne płynów. Ponieważ żrące, chemiczne substancje wymagają zastosowania odpowiednio wytrzymałych materiałów. Dla przykładu zwykła stal węglowa posiada niską odporność na korozję i w niektórych przypadkach konieczne jest zastosowanie innego rodzaju stali np. stali stopowych.

Do parametrów fizycznych płynów stosowanych w wymiennikach należą m.in. temperatura, ciśnienie, gęstość itp. Na przykład wytrzymałość stali maleje wraz ze wzrostem temperatury. Natomiast efekt mniejszej wytrzymałości może być skompensowany grubszą ścianką aparatu.

Czynniki zewnętrzne

Wymiennik ciepła, który jest instalowany na zewnątrz, może ulec zniszczeniu pod wpływem zmiennych warunków atmosferycznych i środowiskowych.
Do niekorzystnych dla wymienników czynników zewnętrznych należą:

• duże obciążenie śniegiem,
• bardzo niskie temperatury,
• silnie korozyjna woda morska,
• piasek,
• zanieczyszczenie środowiska,
• praca w skrajnie dużych lub małych temperaturach, czy też w próżni albo pod dużym ciśnieniem.

Dlatego, jeśli wymiennik instalowany jest np. w górach lub w nadmorskim porcie musi być wykonany z bardziej wytrzymałych materiałów oraz wymaga zastosowania środków ochronnych.

Częstotliwość czyszczenia

Wymienniki płytowe łatwo się czyści, dlatego są dobrym rozwiązaniem tam, gdzie konieczne jest częste czyszczenie aparatury np. (w przemyśle farmaceutycznym).
Można także stosować wymienniki, które mają możliwość samooczyszczenia (np. wymienniki spiralne).

Bezpieczeństwo

Przepisy bezpieczeństwa dotyczące urządzeń służących do pracy z substancjami szkodliwymi (toksycznymi lub rakotwórczymi) często narzucają konkretne wymagania konstrukcyjne (np. stosowanie tylko urządzeń spawanych).

Przepisy prawne

Wymagania dotyczące projektowania, wytwarzania, zastosowania materiałów oraz rodzaju konstrukcji wymienników są różne w zależności od przepisów danego kraju. Dodatkowo niektóre rozwiązania technologiczne chronione są prawem patentowym, co może mieć wpływ na stosowanie ich w niektórych krajach. Ograniczenia prawne determinujące dobór materiałów pojawiają się też, gdy kraj jest objęty międzynarodowym embargo na import konkretnego rodzaju stali.

Koszty produkcji i transportu

Zdarza się, że koszty produkcji i transportu wymiennika powodują, iż rezygnuje się z lepszej jakości rodzaju konstrukcji lub materiału na rzecz tańszego rozwiązania.

Ponadto wybierając wymiennik ciepła, bierze się także pod uwagę możliwość transportu, cenę wody lub dostępność wykwalifikowanych pracowników. Dodatkowym elementem, wymiennika ciepła, z którego działaniem należy się zapoznać, jest układ sterowania temperaturą.

Wymiennik ciepła – rodzaje sterowania

Ze względu na rodzaj sterowania strumienie w wymienniku dzielimy na procesowy (P), czyli strumień główny, z regulowaną temperaturą i medium (M) tj. zastosowany strumień pomocniczy, służący do kontroli temperatury — np. woda do chłodzenia, czy para do podgrzewania.

Parametry strumienia procesowego (P) na wlocie i wylocie z wymiennika są ściśle określone. Natomiast strumień medium (M) ma zdefiniowane parametry tylko na wlocie oraz zakres, w jakim mogą oscylować wartości na wylocie.
W wymiennikach można zastosować jeden z pięciu układów sterowania.

Układ niekontrolowany

Brak kontroli sterowania można zastosować przy stabilnym układzie strumieni, gdzie wahania temperatur są dopuszczalne i nie powodują ryzyka zaburzeń pracy wymiennika. Takie rozwiązanie stosuje się także w wymiennikach z dwoma strumieniami procesowymi, gdzie sterowanie żadnym z nich jest niemożliwe.

Układ z bajpasem (bocznikiem)

Układ z bajpasem stosuje się, gdy oba strumienie muszą mieć stały przepływ. Tutaj zamiast regulacji ilości medium, instalowany jest bocznik (bajpas) powodujący rozdział strumienia.
W celu regulacji rozdziału instaluje się zawory motylkowe, mogące zminimalizować spadek ciśnienia. Drugi zawór znajduje się na przewodzie wymiennika, aby w razie potrzeby powiększył opór na przewodach poprzez zmniejszenie ilości medium biorącego udział w wymianie ciepła. Tutaj zawory sterowane są przez kontroler, otrzymujący sygnał z czujnika temperatury.
Do sterowania układami z bajpasem służy tzw. sterowanie z zakresem dzielonym, w którym sygnał z kontrolera zostaje podzielony pomiędzy dwa zawory. Każdemu zaworowi przyporządkowany jest pewien zakres sygnału z kontrolera.
Wadą układów z bajpasami jest zmienny spadek ciśnienia w całym układzie oraz konieczność dodatkowego zabezpieczenia w razie, gdyby oba zawory zostały zamknięte jednocześnie (np. wskutek błędu człowieka, czy systemu). Natomiast jego zaletą jest stały spadek ciśnienia strumienia procesowego oraz stała wartość przepływu obu strumieni.

Układ ze sprzężeniem zwrotnym

W tym układzie sterowanie odbywa się poprzez zmianę natężenia przepływu medium. Tutaj czujnik temperatury (TT) znajduje się na wylocie strumienia procesowego i przekazuje sygnał do kontrolera (TC). Kontroler porównuje go z wartością nakazaną i w przypadku wystąpienia odchyleń reguluje natężenie przepływu strumienia medium za pomocą zaworu.
Wadą takiego sterowania jest długi czas reakcji spowodowany bezwładnością cieplną układu. Dodatkowo układ ze sprzężeniem zwrotnym może nie reagować od razu, gdy zostaną rozpoznane zaburzenia. Zaletą takiego rozwiązania jest jego prostota układu sterowania, niewymagającego dokładnej znajomości konstrukcji wymiennika oraz zależności opisujących jego pracę.

Układ ze sprzężeniem do przodu

Układ ze sprzężeniem do przodu tak samo, jak układ ze sprzężeniem zwrotnym również steruje strumieniem medium. Różnica między tymi układami polega na tym, że w tym układzie czujnik temperatury znajduje się na wlocie do wymiennika. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie danych dotyczących strumieni wlotowych, zanim dotrą one do wymiennika.
Dlatego w momencie wystąpienia odchyleń można zapobiec nieprawidłowościom, które mogą mieć wpływ na cały proces. Takie działania wymagają jednak wiedzy na temat znajomości zależności matematycznych opisujących pracę wymiennika ciepła.
Różnica polega też na tym, że w tym układzie temperatura wyjściowa strumienia procesowego jest obliczana (nie mierzona), przez co może odbiegać od rzeczywistej. Wyliczenia te opierają się na równaniach bilansu cieplnego wymiennika i są wartościami teoretycznymi, nie uwzględniającymi faktycznych danych.
Z powodu tak dużej wady można go zastosować tylko w prostych urządzeniach.

Układ kaskadowy

Układ kaskadowy jest pewnego rodzaju połączeniem sterowania ze sprzężeniem zwrotnym i sprzężeniem do przodu. Składa się on z dwóch pętli tzw. nadrzędnej i podrzędnej. Pierwsza działa jako układ ze sprzężeniem zwrotnym, natomiast druga pracuje jak układ ze sprzężeniem do przodu.
Wadą układu kaskadowego jest jego złożoność, która powoduje konieczność posiadania dużej wiedzy na temat całego układu. Natomiast zaletą jest możliwość mierzenia faktycznej temperatury na wylocie. Ponadto układ kaskadowy jest stabilny i szybko koryguje odchylenia.

Ze względu na dużą ilość czynników wpływających na sposób działania, niezawodność i trwałość wymiennika ciepła nie jest możliwe jednoznaczne stwierdzenie, jak dany wymiennik się sprawdzi. Trudno jest też przewidzieć już na etapie projektowania wszystkich czynników działających na wymiennik. W związku, z czym często o słuszności jego wyboru dowiadujemy się dopiero podczas jego użytkowania.

Dlatego w celu zminimalizowania ryzyka złego wyboru wymiennika zapraszamy klientów do kontaktu z naszym wyspecjalizowanym personelem. Firma Poltermex od lat specjalizuje się w doborze, serwisie i dystrybucji produktów SWEP, dzięki czemu mamy szeroką wiedzę oraz duże doświadczenie związane z wymiennikami ciepła. Nasi pracownicy chętnie pomogą Państwu w całym procesie zakupowym związanym z doborem oraz serwisem wymienników ciepła.

Jeśli chcą Państwo dowiedzieć się więcej na ten temat, to zapraszamy do zapoznania się z naszą ofertą wymienników ciepła.