Jaké jsou typy výměníků tepla?

Výměník tepla je technické zařízení pro přenos tepla mezi dvěma médii – ohřátým a studeným. Výměníky tepla se používají v mnoha oblastech činnosti a jsou nedílnou součástí moderních topných systémů. Konstrukce a použití výměníků tepla jsou různé.

Zařízení pro výměnu tepla pro vytápění soukromých nemovitostí distribuuje teplo rovnoměrně v místnostech a poskytuje maximální tepelnou pohodu. Existují různé typy výměníků tepla, z nichž každý má své vlastní konstrukční vlastnosti, principy provozu a provozní pravidla. A abyste se při výběru vhodného zařízení nemýlili, musíte si prostudovat detaily jednotek a porovnat jejich vlastnosti.

Typy kotlových výměníků tepla podle způsobu provozu

Moderní typy a typy výměníků tepla mohou pracovat jedním z následujících způsobů:

• Míchání. Kapalina a vzduch na sebe vzájemně působí a zajišťují okamžitý přenos teploty. Tento výměník tepla má jednoduchou konstrukci a vyznačuje se vysokým stupněm výkonu a účinnosti.
• Výměna tepla. Dvě identická média, oddělená výměnnou přepážkou, mezi sebou cirkulují. Pohyb médií může probíhat různými směry. V tomto případě není vůbec nutné, aby uvnitř každého potrubí bylo přítomno stejné prostředí. Například teplota se přenese z vody na kyselinu.

S ohledem na provozní vlastnosti lze rozlišit dva typy výměníků tepla:

• Regenerativní. Teplota proudí z jednoho prostředí do druhého. V tomto případě obě média interagují s dělicí stěnou. Zvláštností tohoto typu je schopnost regulovat proudění cirkulujících tekutin, lze ji zeslabit nebo zesílit.
• Regenerativní. Teplota se přenáší ohřevem tělesa zařízením, které teplo akumuluje a při nízkoteplotním proudění média ho vrací zpět. S ohledem na daný úkol může tepelný tok změnit směr svého pohybu.

Každý z těchto typů výměníků tepla má své výhody a nevýhody a při správné instalaci a provozu může zajistit efektivní vytápění místností.

Jaké typy výměníků tepla existují podle návrhu?

Podle konstrukčních vlastností lze všechny typy výměníků tepla rozdělit do 3 skupin:

1. Lamelový. Vypadají jako potrubí s deskami s vlnitými kanály a lisováním, které zajišťuje cirkulaci tekutiny. Tyto typy výměníků tepla jsou velmi oblíbené díky snadné montáži, snadnému čištění a minimálnímu hydraulickému odporu. Deskové výměníky tepla se snadno používají a jsou kompaktní.

2. Trubkový. Takové výměníky tepla se skládají ze sady trubek, trubkovnic a prvků pro kompenzaci napětí v případě změn tlaku a teploty. Přítomny jsou také rozvodné potrubí. Trubkové výměníky tepla jsou kompaktní velikosti a vyznačují se vysokou rychlostí přenosu tepla.

3. Spirála. Skládají se z plechů zkroucených do spirály, které jsou navzájem spojeny svařením a tvoří kanály tepelné výměny. Lze použít i speciální těsnění. Spirálové výměníky se vyznačují vysokou účinností přenosu tepla a kompaktními rozměry, ale tato zařízení jsou náročná na údržbu, a proto nejsou žádaná.

Podle typu připojení jsou deskové výměníky tepla rozděleny do několika skupin:

• Skládací. Nejoblíbenější typy deskových výměníků tepla, ve kterých jsou desky odděleny pryžovým těsněním. Snadno se instalují a udržují, ale nejsou schopny pracovat s agresivními médii a vyžadují pravidelnou výměnu těsnění.
• Neoddělitelné. Jsou vyrobeny z vysoce kvalitní nerezové oceli a mají zesílený design. Destičky jsou navzájem spojeny pájením, nejsou použita pryžová těsnění. Proces pájení se provádí za podmínek vakua. Efektivně pracují s agresivním prostředím a nevyžadují speciální složitou údržbu.
• Svařované. Konstrukce jsou spojeny pomocí svarových spojů. Desky jsou vyrobeny ze slitin niklu, titanu nebo nerezové oceli. Tyto typy výměníků tepla jsou schopné fungovat v extrémních podmínkách.

Existují další typy a typy výměníků tepla. Všechny mohou být vyrobeny z různých materiálů. Nejčastěji je zařízení pro přenos tepla vyrobeno z nerezové oceli a litiny. Takové materiály jsou nejodolnější vůči vnějším vlivům a lze je používat velmi dlouhou dobu bez poruch nebo oprav. Oblíbená je zejména litina s vysokým obsahem chromu, která odolá vysokým teplotám a agresivnímu prostředí.

Moderní výrobci často vyrábějí výměníky tepla z kombinovaných materiálů. Nejčastěji se jedná o měď a její slitiny, mosaz, bronz. Komponenty výměníků tepla mohou být vyrobeny i z materiálů nekovového původu, plastu.

Typy výměníků tepla podle směru pohybu média

S ohledem na směr pohybu média existují 2 typy výměníků tepla:

• Jednosměrný. Nosič tepla a spotřebič tepla protnou vnitřní objem výměníku jednou nejkratší cestou. Podle tohoto schématu dochází k pohybu, když není potřeba zvýšený přenos tepla z chladicí kapaliny do chladiva. Jednoprůchodové typy výměníků nevyžadují častou údržbu a mytí, vnitřní povrchy nejsou prakticky znečištěny.
• Víceprůchodový. Používají se v situacích, kdy pracovní prostředí dostatečně nepřenáší nebo nepřijímá teplo. Účinnost zařízení se zvyšuje v důsledku dlouhodobého kontaktu chladicí kapaliny s deskami zařízení.

Výměníky tepla mohou používat různá média: kapalina, plyn-kapalina, pára-kapalina.

Výměníky tepla jsou technická zařízení, ve kterých dochází k výměně energie (tepla) mezi médii o různých teplotách.

Mezi zařízení pro výměnu tepla patří ohřívače vody, výparníky, vyvíječe páry, pasterizátory, části klimatizačního nebo chladicího systému. Konkrétní parametry zařízení závisí na jeho typu.

Podle způsobu přenosu tepla

Zařízení pro výměnu tepla se na základě jejich konstrukce dělí na dvě velké skupiny: povrchová a směšovací zařízení.

Povrch

Mají samostatné utěsněné okruhy pro průtok dvou pracovních médií. Média si vyměňují teplo díky vzájemnému kontaktu přes stěny okruhu vyrobeného z teplovodivého materiálu.

Podle směru pohybu mohou být povrchové výměníky tepla:

• Protiproud. Chladicí kapalina a chladič se pohybují v opačných směrech.
• Přímý tok. Obě média se pohybují stejným směrem v paralelním toku.
• Příčný (kříž). Ve výměníku tepla s křížovým prouděním se horká a studená média pohybují v pravém úhlu k sobě.

Povrchová zařízení se dále dělí na rekuperační a regenerační.

Regenerativní

U výměníků tepla rekuperačního typu procházejí chladicí kapalina a chladič zařízením, aniž by se vzájemně mísily. Proud pracovních médií je vždy stabilní a probíhá v jednom směru.

Princip fungování lze pochopit na příkladu „vodní lázně“: bez uvedení do varu, zahřívání

Kapalina se zahřívá v malé nádobě, která je umístěna ve velké nádobě. Příklady rekuperačních výměníků tepla jsou výparníky, kondenzátory, kotle, ohřívače, chladiče.

Regenerativní

U výměníků tepla tohoto typu působí pracovní média střídavě na stejnou topnou plochu. Povrch absorbuje a akumuluje teplo z chladicí kapaliny, poté se její přívod zastaví. Poté konstrukcí prochází prostředí s nižší teplotou a odebírá teplo.

V tomto případě je chladicí kapalina a chladič často stejná látka. Médium prochází ohřívacím stupněm a poté se ochlazuje a prochází zpět přes teplosměnné zařízení v opačném směru. Poté se cyklus opakuje. Tento mechanismus zařízení poskytuje významné úspory energie, protože se používá většina.

Princip fungování tohoto typu výměny tepla můžete pochopit na příkladu sudu s vodou ve skleníku: v horkém dni se voda v sudu ohřívá a v noci uvolňuje energii a ohřívá budovu. Takové výměníky tepla jsou například součástí otevřených pecí nebo sklářských tavicích pecí.

Směšovací výměníky tepla

Tato zařízení se také nazývají „kontaktní“. K výměně tepla v nich dochází v důsledku přímého kontaktu nebo smíchání chladicí kapaliny s chladičem.

Když foukáme horký čaj, dva se vzájemně ovlivňují

Média – kapalná a plynná. Směšovací výměníky tepla mají podobný princip činnosti.

Jsou určeny pro chlazení a ohřev různých kapalných, plynných nebo pevných médií, odpařování a kondenzaci, tavení a krystalizaci. To znamená, že v kontaktním zařízení mohou pracovní média změnit svůj stav agregace.

Zařízení tohoto typu se často používají v průmyslu a elektrárnách. Například pro ohřev nebo chlazení vody plyny a roztoky, pro chlazení nebo ohřev roztoků a další krystalizaci rozpuštěné látky. Používají se v zařízeních pro čištění průmyslových odpadních vod a ve veřejných zařízeních pro ohřev vody spalinami.

Podle konstrukčních prvků

Deska

Jsou to desky s vlnitým povrchem a kanály pro proudění tekutiny, spojené do jednotlivých struktur pomocí přítlačných desek, tepelně odolných těsnění (těsnění) a spojek. Těsnění jsou umístěna mezi deskami a tvoří těsnění. Těsnění zabraňuje míšení a úniku pracovních médií a také určuje, kterými kanály může každé z nich proudit.

Plocha přenosu tepla takového zařízení se rovná součtu plochy desek. Výkon jednotky můžete zvýšit nebo snížit přidáním nebo odebráním vnitřních desek.

Trubky, kterými chladicí kapalina a chladič vstupují a vystupují ze zařízení, jsou nejčastěji umístěny na přední a zadní přítlačné desce zařízení.

Podle způsobu připojení se desková zařízení dělí na:

1. Skládací výměníky tepla. Skládají se z jednotlivých vlnitých plechů, dvou komor na koncích zařízení, rámu a montážních šroubů. Desky jsou odděleny pryžovými těsněními, která zajišťují těsnost.
   Výměníky tepla tohoto typu se snadno instalují a lze je rozebrat pro čištění a údržbu. Díky tomu se aktivně používají v továrnách a v domácnostech. Nejsou však vhodné pro práci v chemicky agresivním prostředí a vyžadují pravidelnou výměnu těsnění.
2. Pájené výměníky tepla. Skládají se ze stejných desek, které jsou navzájem spojeny pájením pomocí měděné nebo niklové pájky. Jsou vyrobeny pouze z vysoce kvalitní nerezové oceli a proces pájení probíhá ve vakuu.
   Pájené přístroje mají odolnější provedení, zřídka vyžadují opravy a snesou práci s alkáliemi a kyselinami. Díky tomu se často používají v chemickém průmyslu.
3. Svařované výměníky tepla. Jsou vyrobeny ve formě konstrukce svařovaných modulů, které jsou spojeny pomocí laserového svařování ve formě dvojice desek. Poté se pomocí šroubů sestaví mezi koncové ocelové desky. Konstrukce tohoto typu zařízení zajišťuje pohyb pracovního média ve svařovaných kanálech podél desek.
   Určeno pro použití v technických procesech s extrémně vysokými teplotami a tlaky, s agresivními látkami. Pracují s vysokoteplotní párou, plyny, kapalinami a jejich směsmi.
   Materiál desky: nerezová ocel, titan, slitiny niklu. Tato zařízení se vyznačují vysokou účinností a malými rozměry, vyžadují minimální údržbu.
4. Polosvařované výměníky tepla. Princip je stejný jako u svařovaných, ale mezi každým svařovaným modulem je speciální tmel z paronitu (těsnící materiál vyrobený lisováním ze směsi azbestu, pryže a práškových plniv).
   Rozsah účelu a použití takových výměníků tepla je podobný jako u svařovaných – kdy chladicí kapalina je chemicky agresivní médium, látka s velmi vysokou teplotou a tlakem.

Díky zvlněnému povrchu okruhů mají deskové výměníky maximální lícování a cirkulaci pracovních médií. Oddělovací desky médií jsou ve srovnání s jinými materiály tenčí. To zvyšuje rychlost přenosu energie, snižuje tepelné ztráty a zajišťuje vysokou účinnost přenosu tepla.

Taková zařízení pro výměnu tepla mají kompaktní velikost a snadno se udržují. Mohou plnit různé funkce, například: topné těleso, chladicí část systému, automatický spínač nebo tlakový spínač. Deskové výměníky jsou nejrozšířenější v potravinářském průmyslu, zásobování teplou vodou a vytápění soukromých domů.

Tubulární

Obecně se tyto typy výměníků tepla skládají z řady trubek uvnitř pláště nebo velké tlakové nádoby.

Nejjednodušší a první konstrukční možností pro trubkový výměník tepla je model „potrubí v potrubí“. Princip činnosti spočívá v tom, že chladicí kapalina prochází vnitřním okruhem a chladič prochází vnějším okruhem. Model se používá díky snadné údržbě a možnosti měnit průměr potrubí pro zajištění optimální rychlosti pohybu pracovních médií. Ale kvůli nízké účinnosti přenosu tepla a velkým rozměrům jsou tyto návrhy horší než moderní řešení.

Typy trubkových výměníků tepla mají mnoho podtypů. Nejběžnější z nich:

1. Plášťové a trubkové výměníky tepla. Jsou to sady (svazky) trubek sestavených do trubkovnice a uložených v pouzdře (pouzdře). Trubky a konce trubek v trubkovnicích jsou upevněny pájením nebo svařováním. Jeden svazek trubek obsahuje pracovní médium, které je potřeba chladit nebo ohřívat. Teplo mezi nimi je přenášeno stěnami potrubí buď ze strany potrubí na stranu pláště nebo naopak. Svazek trubek se může skládat z různých typů trubek: hladkých, žebrovaných a dalších.
   Takové systémy obvykle pracují s kapalinami při různých tlacích. Trubkami cirkuluje kapalina s vyšším tlakem a skrz plášť cirkuluje kapalina s nižším tlakem. Tyto výměníky tepla lze kombinovat do sekčních struktur pro zvýšení objemu kapalin a rychlosti přenosu tepla.
2. Točené výměníky tepla. Jedná se o systém trubek stočených kolem jádra, které se také nazývají „serpentin“. Výměníky tepla dostaly své jméno kvůli svému tvaru – trubky jsou navinuty kolem jádra v prstencích, které vypadají jako stočený had. Pracovní médium se v nich pohybuje zakřiveným potrubím a mezitrubkovým prostorem.
   Zařízení tohoto typu mohou zajišťovat výměnu tepla mezi dvěma kapalinami, kapalinou a párou, kapalinou a plynem, mezi dvěma plyny nebo párami. Twisted zařízení jsou poměrně kompaktní zařízení s vysokou provozní účinností.
3. Spirálové výměníky tepla. Princip je podobný jako u kroucených, rozdíl je v tom, že trubkové kanály s chladicí kapalinou a chladičem se ovíjí kolem středové přepážky zařízení a vzájemně se překrývají.
   Hlavním účelem těchto zařízení je chlazení a ohřev viskózních, vysoce viskózních kapalin.
4. Zavlažovací výměníky tepla. Jsou to vodorovné trubky stočených výměníků tepla uložené ve svislé rovině v řadách rovnoběžných sekcí. Nad každou řadou je příkop, ze kterého proudí chladicí voda na teplosměnné trubky. Část se odpaří a zbývající voda se vrátí čerpadlem.
   Účelem tohoto typu zařízení je zajistit provoz chladicích a mrazicích komor, klimatizačních a ventilačních systémů.

Nejčastěji používanými zařízeními pro výměnu tepla trubkového typu jsou výměníky tepla typu plášť a trubka. Jejich rozsah pracovních médií je mnohem širší než u jiných poddruhů: mohou chladit mléko, džusy a mastné tekutiny. Zařízení typu shell-and-tube mají také vysokou produktivitu a propustnost.

Obecnou výhodou trubkových výměníků je jejich odolnost vůči nízkým a vysokým teplotám, agresivnímu prostředí a vysokému tlaku uvnitř jednotky. Používají se především ve výrobě a jako součást domácích spotřebičů: ledničky, klimatizace.

Typy výměníků tepla podle pracovních médií

Existuje klasifikace výměníků tepla podle média, které používají k provozu:

• Plyn-kapalina – prvky chladících a mrazicích komor, klimatizační systémy, odpadní výměníky tepla.
• Parní kapalinové – trubkové ohřívače, prvky pasterů a konzervátorů potravin, odvzdušňovače parních kotlů (kapalinové čističky plynových nečistot).
• Kapalina-kapalina – trubková a desková zařízení teplovodních systémů, chladiče.
• Parní-parní sterilizátory.
• Paroplyn je využití tepla z výfukových plynů turbíny.
• Plyn-plyn – kondenzátory, výparníky.

Pro práci s různými médii je důležitý materiál výměníku tepla. Při použití v podmínkách vysokého tlaku, extrémních teplot, s alkáliemi a kyselinami se často používají zařízení vyrobená z odolnějších a odolnějších látek: titan, mosaz. Při výrobě potravin je důležitá možnost systém rozebrat a omýt dezinfekčními prostředky, proto se v této oblasti používá nerez.

Podle rozsahu

Výměníky tepla se používají pro jakoukoli práci, která zahrnuje procesy chlazení, ohřevu, kondenzace, varu, odpařování. Používají se v energetice, hutnictví, potravinářském a chemickém průmyslu, na topných bodech, v topných, ventilačních a klimatizačních systémech.

V potravinářském průmyslu jsou tepelné výměníky určeny k pasterizaci produktů a jejich chlazení. Často se v této oblasti používají skládací nebo pájené typy deskových výměníků tepla.

V metalurgii generují pece, rozdělovače, hydraulické systémy a další zařízení obrovské množství tepla. Proto se v této oblasti jako chladiče používají desková zařízení: pájená, svařovaná.

Při stavbě lodí se tepelné výměníky používají k chlazení hlavního motoru a celého centrálního systému lodi. Zde lze jako pracovní médium použít mořskou vodu nebo motorové oleje s různou viskozitou. Na velkých lodích je zařízení pro výměnu tepla navrženo pro udržení provozu topného systému a pro zásobování teplou vodou.

Výměníky tepla se používají také v komunálním zásobování teplem. Například pro ohřev vody, podlahové vytápění, teplovodní systémy. Taková zařízení používají desky vyrobené z antikorozní oceli o tloušťce až 5 milimetrů s pryžovým těsněním.

V ropném a plynárenském průmyslu jsou tepelné výměníky potřebné pro tepelný rozklad ropy, její ohřev a chlazení.