Wymiennik ciepła to urządzenie stosowane w wielu gałęziach przemysłu, dla przykładu wymiennikiem ciepła jest zarówno chłodnica samochodowa jak i system solarny. Wymiennik ciepła stosuje się w celu wymiany ciepła pomiędzy cieczami lub gazami. Poznaj rodzaje wymienników oraz zasady ich działania.

Wymiennik ciepła – co to jest i jakie jest jego zastosowanie

Wymiennik ciepła to urządzenie służące do wymiany ciepła pomiędzy dwiema lub wieloma substancjami w stanie płynnym i gazowym, mającymi różne temperatury. Wymiennik ciepła ma swoje zastosowanie w wielu dziedzinach:

• przemyśle farmaceutycznym i mleczarskim,
• budownictwie,
• przemyśle samochodowym,
• systemach centralnego ogrzewania,
• chłodnictwie i ciepłownictwie.

W zależności od dziedziny, w jakiej został zastosowany używa się różnych nazw, wymiennikiem ciepła jest więc: parownik, chłodnica samochodowa, system centralnego ogrzewania i inne.

W przypadku wymienników ciepła stosuje się wiele kategorii podziałów.

Wymiennik ciepła – podziały

Wymienniki ciepła to szeroka gama urządzeń, które różnią się między sobą budową, wielkością, ale też są podzielone pod względem:

• sposobu przepływu ciepła,
• układu strumieni,
• ruchu ciepła.

Wymiennik ciepła – podział ze względu na sposób przepływu ciepła

Wymienniki ze względu na sposób przepływu ciepła dzielą się na dwie główne kategorie — kontaktowe i bezkontaktowe.

W wymienniku kontaktowym dochodzi do bezpośredniego kontaktu znajdujących się w nim substancji, natomiast w bezkontaktowym wymienniku taki kontakt nie występuje. Zarówno w grupie wymienników kontaktowych, jak i bezkontaktowych stosowane są dalsze podziały.

Wymiennik kontaktowy

W wymienniku kontaktowym dochodzi do kontaktu substancji, co niestety powoduje pewne ograniczenia w jego zastosowaniu. Jednak taka sytuacja ma też zalety, pozwala bowiem uzyskać bardzo duże współczynniki przewodzenia ciepła.

Kontaktowe wymienniki ciepła dzielą się na:

• wymiennik typu gaz — ciecz — w tym wymienniku ciepło wymieniane jest między cieczą (zazwyczaj wodą) i gazem. Wymiennik tego typu służy do chłodzenia cieczy oraz nawilżania gazu np. w wieżach chłodniczych,
• wymiennik typu ciecz — para — tutaj następuje wymiana ciepła pomiędzy płynami oraz powstałą z nich parą. Stosuje się go do ogrzewania wody poprzez bezpośredni wtrysk pary lub też do chłodzenia pary poprzez wtrysk wody,
• wymiennik z układem cieczy niemieszających — w tym układzie dochodzi do kontaktu dwóch niemieszających się cieczy. Przykładem mechanizmów wykorzystujących ten układ wymiany jest skraplanie związków organicznych lub oparów oleju.

Wymiennik bezkontaktowy

Wymienniki bezkontaktowe, czyli takie, w których nie ma styku między substancjami, dzielone są one na:

• rekuperatory:
• rekuperatory proste,
• rekuperatory z wytwarzaniem ciepła,
• regeneratory,
• złoża fluidyzacyjne.

Rekuperator

W rekuperatorach substancje oddzielone są między sobą tzw. przeponą (ścianką), w poprzek której zachodzi wymiana ciepła. Rekuperatory dzielone są na dwie grupy:

Rekuperator prosty

W rekuperatorze prostym nie zachodzi dodatkowa generacja ciepła. Należą one do najczęstszej stosowanych rekuperatorów, przykładami prostych rekuperatorów są wymienniki płytowe i płaszczowo – rurowe. Do najczęściej stosowanych rekuperatorów prostych należą:

• Wymiennik płytowy — składa się z rzędu stalowych płyt, między którymi dochodzi do przepływu substancji, w wyniku czego następuje wymiana ciepła. Wymiennik płytowy stosowany jest w przemyśle farmaceutycznym i mleczarskim, przy produkcji okrętów oraz w systemach chłodniczych. Do zalet wymiennika płytowego zalicza się:
  • możliwość regulacji wymiarów poprzez usuwanie i dodawanie płyt,
  • trwałość i odporność na wysokie ciśnienie,
  • łatwość czyszczenia,
  • niska cena.
• Wymiennik płaszczowo – rurowy – ze względu na swoją uniwersalność jest najczęściej spotykanym wymiennikiem. Składa się z cylindrycznego płaszcza, w którym biegną wiązki rurek. Dzięki takiej budowie jeden z płynów przepływa w przestrzeni płaszczowej, a drugi wewnątrz rurek. Dochodzi tutaj do wymiany ciepła w poprzek ścian rurek. Szczególnym rodzajem systemu płaszczowo — rurowy jest wymiennik typu rura w rurze, którego zaletą jest duża prostota, a wadą mała wydajność.
• Wymiennik spiralny — zbudowany z płyt owiniętych spiralnie tworzących przestrzenie dla przepływających płynów. Płyty te tworzą powierzchnię wymiany ciepła. Maksymalna temperatura pracy wymiennika spiralnego to ok. 500 °C, a maksymalne ciśnienie ok. 25 barów. Wśród zalet tych wymienników wymienia się:
  • możliwość pracy z problematycznymi substancjami,
  • łatwość czyszczenia wraz z samooczyszczaniem,
  • małe straty ciepła.
• Zbiornik z wężownicą lub płaszczem – składa się ze zbiornika, w którym znajduje się płyn natomiast element grzewczy stanowi tutaj wężownica, czyli zwinięta rura znajdująca się w środku zbiornika, lub zewnętrzny płaszcz. Płyn w zbiorniku ogrzewa się lub ochładza dzięki płynowi przepływającemu w wężownicy, lub płaszczu. Substancją grzewczą jest zwykle para, natomiast chłodzącą zazwyczaj woda.
• Kanał odzysku ciepła — czyli podłużny tunel, wraz z wiązkami rurek, przez które przepływają ogrzewane gazy.

Rekuperator z wytwarzaniem ciepła
W rekuperatorze z wytwarzaniem ciepła z powodu reakcji spalania lub reakcji jądrowej dochodzi w jednej ze stron do dodatkowego wytwarzania ciepła. Do tego typu rekuperatorów należą m.in. reformery i kotły płomienicowe. Przykładami rekuperatorów z wytwarzaniem ciepła są:

• Kocioły płomienicowe — posiadają one zbiorniki, w których biegną rury zwane płomienicami. Wewnątrz płomienic znajduje się tzw. palenisko. W procesie spalania wytwarzana jest energia, ogrzewająca wodę w zbiorniku. Kocioły płomienicowo – płomieniówkowe dodatkowo posiadają wiązki cieńszych rurek — płomieniówki, przez które przepływają gazy spalinowe.
• Reformingi parowe — są to piece przemysłowe z zainstalowanymi rurami wypełnionymi katalizatorem. Po ich zewnętrznej stronie umieszczone są palniki. Reakcję w nich umożliwia energia pochodząca z procesu spalania i przepływu gazów spalinowych wzdłuż pieców.

Regenerator

Regenerator jest aparatem działającym cykliczne. W pierwszym cyklu gorący gaz ogrzewa element magazynujący energię, która w drugiej fazie procesu odbierana jest przez gaz ogrzewany. Wśród zalet regeneratora wymienia się: niską cenę, możliwość zastosowania tańszych materiałów, stosunkowo niewielkie rozmiary, niski spadek ciśnienia oraz bardzo upakowaną powierzchnia wymiany ciepła. Wyróżnia się dwa rodzaje regeneratorów:

• Regenerator obrotowy — posiadają obrotowy element zainstalowany między przewodami gazów tak, że oba gazy przepływają przez niego. Gaz gorący nagrzewa element, który obracając się oddaje ciepło zimnemu strumieniowi.
• Regenerator stały — tworzą je zbiorniki pracujące w cyklach. Zbiorniki kolejno są rozgrzewane przez gorący gaz, a następnie przepuszcza się przez nie zimny gaz, odbierający ciepło od materiału magazynującego.

Złoże fluidyzacyjne

W złożach fluidyzacyjnych mają miejsce procesy, będące kombinacją procesów zachodzących w rekuperatorach i regeneratorach. Złoża fluidyzacyjne stosowane są np. w procesie zgazowania węgla, wytwarzania węgla aktywnego, suszenia i prażenia rud, czy do syntezy benzyny.

Złoża fluidyzacyjne składają się ze zbiorników wypełnionych cząsteczkami ciała stałego. Na ich dnie znajduje się wlot gazu, który przepływa przez zbiorniki i wylatuje na górze. Gdy gaz osiągnie odpowiednią prędkość przepływu zaczyna unosić cząsteczki ciała stałego do góry. Cząsteczki unoszą się w zbiorniku zachowując się podobnie do cieczy.

Zbiorniki te mogą być wyposażone w płaszcz chłodzący lub wężownicę. Przepływ ciepła w odbywa się tutaj od cząsteczek ciała stałego (jak w regeneratorach) do gazu, a następnie poprzez ściankę płaszcza lub wężownicy (jak w rekuperatorach).

Wymiennik ciepła – podział ze względu na układ strumieni

Podział wymienników ciepła ze względu na stosowany w nich układ strumieni obejmuje wymienniki: współprądowe, przeciwprądowe, o przepływie krzyżowym oraz złożone.

Wymiennik współprądowy

W tym typie układu wymiana ciepła zachodzi między dwoma strumieniami płynącymi w tym samym kierunku.
Układ współprądowy jest najmniej wydajnym układem pod względem wymiany ciepła. Posiada on stosunkowo niską średnią różnicę temperatur, będącą siłą napędową tego procesu. Wskutek czego powierzchnia wymiany ciepła potrzebna do realizacji procesu jest większa. Powoduje to, że wymiennik ten jest większy i droższy.

Natomiast wymiennik współprądowy jest korzystny ze względu na rozkład naprężeń cieplnych. Gorący i zimny strumień wpływają do wymiennika z tej samej strony i średnia temperatur ścianki w wymienniku, jest bardziej ujednolicona, dzięki czemu występują mniejsze naprężenia termiczne.

Wymiennik przeciwprądowy

W wymienniku przeciwprądowym podczas podgrzewania materii temperatura wylotowa jest wyższa od materii grzewczej. Wymiennik przeciwprądowy daje możliwość podgrzania lub ochłodzenia strumienia do temperatury zbliżonej temperaturze wlotowej drugiego strumienia. Dzięki temu wymiennik przeciwprądowy jest bardziej wydajny niż współprądowy, natomiast jego wadą jest możliwość wystąpienia dużych naprężeń cieplnych.

Wymiennik o przepływie krzyżowym

W wymienniku o przepływie krzyżowym strumienie przepływają względem siebie pod kątem prostym. Układ strumieni krzyżowych najczęściej stosuje się w wymienniku płaszczowo-rurowym, jako składową przepływu. Używa się je w celu zwiększenia dynamiki przepływu płynu w przestrzeni płaszczowej, dzieląc ją na szereg segmentów o przepływie krzyżowym.

Wymiennik z układem złożonym

Złożony układ przepływu strumieni jest kombinacją wyżej wymienionych układów. Większość wymienników stosowanych w przemyśle posiada właśnie układ złożony.

Wymiennik ciepła – podział ze względu na ruch ciepła

Pod względem mechanizmu ruchu ciepła występującym w wymienniku wyróżnia się trzy typy przenoszenia ciepła: przewodzenie, konwekcję i promieniowanie.

Przewodzenie

Mechanizm ruchu ciepła przez przewodzenie określa prawo Fouriera, które mówi o tym, że ilość przepływającego ciepła jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatur oraz współczynnika przewodzenia ciepła.
Ruch ciepła przez przewodzenie odbywa się bez ruchu masy (np. przez ściankę wymiennika).

Konwekcja

Ruch ciepła poprzez konwekcję odbywa się wraz z ruchem masy (np. z płynu do ścianki wymiennika). Na dynamikę tego procesu wpływa dodatkowa zmienna, rodzaj ruchu płynu.

Promieniowanie

W przypadku promieniowania ruch ciepła odbywa się poprzez fale elektromagnetyczne i emisję kwantów energii. Promieniowanie cieplne następuje przy falach emitowanych w zakresie długości fal 0,8–40 μm. Aby emisja była możliwa, potrzebne są duże ilości energii. Dlatego taki mechanizm ruchu ciepła nabiera znaczenia tylko w przypadku ciał o wysokiej temperaturze (> 500 °C). Siłą napędową ruchu ciepła poprzez promieniowanie jest różnica temperatury. Tutaj ruch ciepła odbywa się zazwyczaj między dwoma ciałami stałymi.

Temat wymienników ciepła jest bardzo szerokim zagadnieniem, dlatego zapraszamy klientów do kontaktu z naszym wyspecjalizowanym personelem. Albowiem Firma Poltermex od lat specjalizuje się w doborze, serwisie i dystrybucji produktów SWEP i posiadamy szeroką wiedzę oraz duże doświadczenie związane z wymiennikami ciepła. Nasi pracownicy chętnie wesprą Państwa w całym procesie zakupowym związanym z doborem oraz serwisem wymienników ciepła.

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