Wymienniki ciepła
Wymienniki ciepła
Podstawowe rodzaje przeponowych
wymienników ciepła i wielkości
charakterystyczne
• Wymienniki ciepła to urządzenia, w których nośnik
ciepła grzejny (o wyższej temperaturze) oddaje moc
cieplną nośnikowi ciepła ogrzewanemu (o niższej
temperaturze).
• Nośniki te są oddzielone ścianką (przeponą), zw.
powierzchnią wymiany ciepła. Wymienniki ciepła są
pośrednim źródłem ciepła stosowanym w instalacjach
co., ciepłej wody lub wentylacji i klimatyzacji.
• W zależności od rodzaju nośnika dostarczającego i
odbierającego moc cieplną wymienniki ciepła można
podzielić na urządzenia typu:
• woda-woda,
• woda-para,
• para-woda,
• woda-powietrze.
• Pierwszy człon nazwy wymiennika dotyczy nośnika
dostarczającego ciepło, drugi - odbierającego je.
• Do porównywania ze sobą różnych typów wymienników
ciepła stosuje się wskaźniki, wśród których największe
znaczenie ma współczynnik przenikania ciepła k.
Odpowiada on gęstości mocy cieplnej przenikającej
przez powierzchnię wymiany ciepła przy jednostkowej
różnicy temperatury po obu stronach tej powierzchni.
Współczynnik przenikania ciepła k można określić w
sposób analityczny, a następnie sprawdzić jego wartość
doświadczalnie na stanowisku badawczym. W praktyce
najczęściej określa się moc cieplną wymiennika na
stanowisku badawczym, a wartość współczynnika
przenikania ciepła k oblicza wg wzoru
•
(1)
• w którym:
• Q - moc cieplna wymiennika [W],
• A - powierzchnia wymiany ciepła [m
2
],
• Δt
log
- średnia logarytmiczna różnica temperatury [K].
• Średnia logarytmiczna różnica temperatury jest
określona w zależności od kierunku przepływu
nośników ciepła w wymienniku ciepła. Rozróżnia się 3
rodzaje przepływów:
• Współprądowy -
nośniki ciepła po obu stronach
przegrody płyną w tym samym kierunku,
• Przeciwprądowy
- nośniki ciepła płyną w kierunkach
przeciwnych,
• krzyżowy
- nośniki ciepła płyną do siebie prostopadle.
• Temperaturę grzejnego nośnika ciepła (oddającego
moc cieplną) oznacza się zawsze indeksem 1, a
temperaturę ogrzewanego nośnika ciepła
(pobierającego moc cieplną) indeksem 2. Temperatura
przed wymiennikiem jest oznaczana dodatkowo
znakiem', a za wymiennikiem - znakiem ".
Rozkład temperatury i kierunki przepływu nośników
w wymiennikach ciepła typu woda-woda: a)
przepływ współprądowy, b) przepływ
przeciwprądowy
• Wzór analityczny na obliczenie średniej logarytmicznej różnicy
temperatury, dotyczący współprądu i przeciwprądu, ma następującą
postać:
•
(2)
• We wzorze tym użyto niżej wymienionych oznaczeń:
• Δt
1
- większa różnica temperatury między nośnikami ciepła [K],
• Δt
2
- mniejsza różnica temperatury między nośnikami ciepła [K].
• Z punktu widzenia sprawności urządzenia korzystniejszy jest układ
przeciwprądowy, w którym uzyskuje się przy tych samych parametrach
nośnika większą różnicę temperatury.
• Wszystkie wymienniki ciepła typu woda-woda należy projektować i
eksploatować przy przeciwprądowym przepływie nośników.
• Krzyżowy przepływ nośników występuje w wymiennikach typu woda-
powietrze, a średnią różnicę temperatury tego typu wymiennika określa
się wg wzoru
•
(3)
•
• w którym:
• ε
Δt
- współczynnik, za pomocą którego określa się charakter prądu
krzyżowego (wartość dobierana z wykresów),
• Δt
log
- średnia logarytmiczna różnica temperatury dotycząca
przeciwprądu [K].
• Do porównywania konstrukcji wymienników
ciepła służy również
wskaźnik masowy
, tj.
iloraz mocy cieplnej urządzenia i jego masy.
Im większa jest wartość tego wskaźnika, tym
wymiennik jest bardziej materiałooszczędny.
• Dawniej wymienniki ciepła miały współczynnik
przenikania ciepła k = 200÷500 W/(m
2
K) i
wskaźnik masowy o wartości 500÷600 W/kg.
W najnowszych konstrukcjach wartości
współczynnika przenikania ciepła wynoszą
1500 ÷ 2500 W/ (m
2
K), a wskaźnika
masowego - ponad 5000 W/kg.
Przykład 1
•Obliczyć moc cieplną i średnią logarytmiczną różnicę temperatury wymiennika
ciepła o przeciwprądowym i współprądowym układzie przepływu nośników. Należy
przyjąć, że współczynnik przenikania ciepła ma wartość stałą i w obu przypadkach
wynosi 750 W/ (m
2
• K). Nośnik ciepła grzejny ma temperaturę t
1
’ = 150°C i t
1
” =
90°C, a nośnik ogrzewany t
2
’ = 50°C i t
2
” = 70°C. Powierzchnia wymiany ciepła
wynosi 12 m
2
.
•Rozwiązanie
•• Przepływ przeciwprądowy (rys. 2a)
•• Przepływ współprądowy (rys. 6-2b)
•W układzie przeciwprądowym uzyskano moc cieplną większą o ok. 15%.
Rozkład temperatury w
wymienniku typu woda-woda: a)
przepływ przeciwprądowy, b)
przepływ współprąd
Wymienniki typu woda-woda
• Wymienniki typu woda-woda znalazły
bardzo szerokie zastosowanie w
instalacjach co i ciepłej wody.
• Wśród najczęściej stosowanych
typów znajdowały się wymienniki
płaszczowe, przeciwprądowe - typu
WCO i WCW.
• Wymienniki WCO składają się z płaszcza wykonanego z rur o
średnicy nominalnej 150 mm lub 250 mm. Wewnątrz płaszcza
znajduje się wężownica z 24 lub z 73 rur o średnicy 16x2,2 mm.
Wymienniki te produkuje się w 2 odmianach (WCO-150 i WCO-250)
i 3 wielkościach (średnia długość rurek w wężownicy wynosi 3, 4 lub
5 m).
• Nośnik grzejny (sieciowy) doprowadza się do pęczka rur wężownicy
przez górny króciec płaszcza. Nośnik ogrzewany (instalacyjny)
dopływa od dołu wymiennika do przestrzeni międzyrurkowej.
• Moc cieplną wymiennika typu WCO można dostosować do potrzeb,
obliczając odpowiedni strumień masy nośnika grzejnego i
ogrzewanego, rzutujący na wartość współczynnika przenikania
ciepła k lub dobór odpowiedniej powierzchni wymiany ciepła.
Strumień masy nośnika jest to masa nośnika przepływająca w
jednostce czasu, wyrażany najczęściej w kilogramach na sekundę.
• Dozorowi technicznemu podlegają tylko wymienniki WCO-250.
• Zarówno wymienniki WCO-150 jak i WCO-250 charakteryzują się
sto sunkowo niedużymi wartościami współczynnika przenikania
ciepła (k = 400 ÷ 900 W/(m
2
K)). Ich konstrukcja, opracowana
jeszcze w końcu lat 50., jest już przestarzała, bardzo
materiałochłonna i niezbyt odporna na korozję.
• Bardzo podobne w konstrukcji do wymienników WCO są
wymienniki WCW stosowane do lat 80. w instalacjach cieplej
wody.
Wymiennik ciepła płaszczowy typu WCO
• W małych budynkach mieszkalnych można
stosować bardzo prosty wymiennik ciepła typu
Rotor przystosowany do grawitacyjnej instalacji co.
• Ma on kształt walca i jest wykonany z rury o
średnicy nominalnej 150-400 mm.
• Wewnątrz znajdują się spiralne wężownice z rur
stalowych lub mosiężnych.
• Nośnik grzejny (woda z miejskiej sieci
ciepłowniczej) przepływa w przeciwprądzie przez
wężownice, oddając ciepło wodzie krążącej w
instalacji co.
• Wymiennik Rotor można stosować pod warunkiem,
że w pobliżu znajduje się sieć ciepłownicza i można
się do niej podłączyć.
Wymiennik ciepła typu Rotor
Charakterystyka techniczna, cieplna i
hydrauliczna wymienników ciepła typu Rotor
Wielkość
Opory
prze pływu
wody
Strumień masy wody
D d
1
d
2
d
3
l
Mas
a
Q
wymienni
ka
grzej
nej
ogrz
e
wan
ej
grzejnej ogrzewanej
Δp
s
Δp
i
m
s
m
i
[W] [Pa] [Pa]
[kg/
h]
[kg/s] [kg/h]
[kg/s
]
[mm]
[kg]
150/1/S
8150
344
0
29
100 0,028 350
0,09
7
150 15 32 10
29
0
40
150/1/M 9300
392
0
29
114 0,032 400
0,11
1
200/1/S
1570
0
608
0
39
193 0,053 675
0,18
7
200 15 50 10
34
0
60
200/l/M
1750
0
883
0
49
214 0,059 750
0,20
8
250/3/S
250/3/M
2790
0
3370
0
814
0
932
0
98
118
347
414
0,096
0,115
1200
1450
0,33
3
0,40
2
250 20 50 15
41
0
90
300/4/S
4420
0
981
0
128 550 0,153 2660
0,73
8
300 20
10
0
15
45
0
120
300/4/M
5120
0
121
00
157 630 0,175 3060
0,84
9
400/5/S
400/5/M
6510
0
7330
0
108
00
147
00
147
167
800
900
0,222
0,250
2800
3150
0,77
6
0,87
5
400 20
10
0
15
57
0
160
400/6/S
400/6/M
8150
0
9550
0
127
50
186
50
187
295
100
0
117
0
0,278
0,324
3500
4100
0,97
2
1,14
0
400 20
10
0
15
57
0
165
400/7/S
400/7/M
9900
0
1015
00
157
00
226
00
314
470
121
5
144
0
0,337
0,399
4250
5050
1,18
0
1,40
1
400 20
10
0
15
57
0
170
• Inną odmianą wymienników typu woda-woda są wymienniki
pojemnościowe, np. wymiennik PPA - walec, wewnątrz którego
znajduje się wężownica z rur stalowych. Urządzenia te pracują
najczęściej w instalacjach ciepłej wody o nierównomiernym
rozbiorze, pełniąc zarazem funkcję zasobnika.
Charakterystyka techniczna pojemnościowych
wymienników ciepła typu PPA
Numer
Masa
zbiorni-
Wężownica Całkowita
powie
-
podgrzew
acza
V
n
D
L
Ł;
L
2
g
ti
Si
Pi
A, B
A„B,
C,E,t
P
X
Y
U
ka wraz
z
głowicą
sez
wężo-
wnicy
nr
rzchn
ia
ogrze
walna
masa
podgrze
wacza
[dm
3
]
[mm]
[kg]
[m
2
]
[kg]
1
0,5
148
1
20
0
612 1290
850
500
4
6
5
273
76
25
126
423
762
100
130
2 3
0,5
1
148 163
1
0,5
191
2
40
0
612 1943 1500 1150
4
6
5
273
76
25
126
423
762
100
170
2 3
1
2
202 224
1
0,7
5
242
3
60
0
716 2145 1700 1300
4
8
5
273
76
25
152
423
866
100
215
2 3
1,5
3
258 288
1
1
307
4
80
0
816 2145 1700 1250
5
8
5
273
76
25
173
423
866
100
275
2 3
2 3
329
352
• Najnowszą konstrukcją jest wymiennik JAD. Jest to nierozbieralne
urządzenie wykonane ze stali odpornej na korozję. Wymienniki te
produkuje się w 2 wielkościach: JAD-3/18 i JAD-6/50, które nadają się
zarówno do instalacji co., jak i cieplej wody.
• W wymienniku JAD-3/18 wokół rdzenia nawiniętych jest 18 rurek o
średnicy 8 x 0,6 mm w 3 warstwach. Poszczególne warstwy są
naprzemian - prawo-i lewoskrętne. Rurki, każda o długości 5 m, są
obydwoma końcami zamocowane w toroidalnych płytach sitowych,
przyspawanych do rdzenia i do płaszcza. W górnej i dolnej części
płaszcza są zamocowane króćce wody ogrzewanej, natomiast w
dnach - króćce wody grzejnej.
• W wymienniku JAD-6/50 nawiniętych jest 50 rurek w 6 warstwach.
Przed wymiennikami należy zmontować filtry z siatką o prześwicie
oczka nie większym niż 0,63 x 0,4 mm i 94 oczkach na 1 cm
2
.
• Wartość współczynnika przenikania ciepła k określa się w zależności
od strumienia masy nośnika grzejnego i ogrzewanego, zgodnie ze
wzorem
•
(4)
• w którym:
• c i a - wielkości stałe w wymienniku danego typu, wyznaczane
doświad czalnie,
• m
s
- strumień masy nośnika sieciowego [kg/h],
• m
i
- strumień masy nośnika instalacyjnego [kg/h].
Wymiennik ciepła typu
JAD
Charakterystyka techniczna wymienników
ciepła typu JAD
Powierz
-
Typ
wymiennika
chnia
wy
miany
cie pła
Masa
Rodz
aj
króćc
ów*
A
B
C
D
E
F
[m
2
]
[kg]
[m
m]
[m
m]
[m
m]
[m
m]
[m
m]
[m
m]
1
122
0
159
4
48,
3
42,
4
101 153
JAD 3/18
2,12
21,8-
27,4
2
122
0
159
4
R40 R40 101 153
3
122
0
160
0
48,
3
42,
4 101 156
1
122
0
159
8
88,
9
60,
3
159 212
JAD 6/50
5,70
38,0-
54,3
2
122
0
159
8
R80 R50 159 212
3
122
0
160
4
88,
9
60,
3 159 215
* 1 - króćce przygotowane do
spawania z instalacją
•- króćce gwintowane
•- króćce z kołnierzem.
Dane eksploatacyjne wymienników ciepła typu JAD
Wymienniki typów para-woda i woda-para
• Nośnikiem ciepła grzejnym w wymienniku typu para-woda
jest para wodna, a nośnikiem ogrzewanym - woda. Ten rodzaj
wymienników określa się potocznie jako skraplacze.
• Pary wodnej stosowanej w wielu zakładach przemysłowych jako
nośnik technologiczny można użyć do podgrzewania ciepłej
wody lub do instalacji co. Tam też wymienniki ciepła typu para-
woda znalazły największe zastosowanie. W budownictwie
mieszkaniowym, ze względu na brak pary wodnej,
wymienników tego typu praktycznie się nie stosuje.
• Wymiennik typu para-woda ma najczęściej kształt walczaka z
wężownicą w środku. Parę wodną doprowadza się górnym
króćcem wlotowym, a kondensat wypływa króćcem dolnym.
Woda, przepływając przez wężownicę, ogrzewa się od
kondensującej pary wodnej, która przez zmianę stanu skupienia
oddaje duże ilości ciepła określonego jako ciepło parowania.
• Jako urządzenie typu para-woda może być stosowany
wymiennik PPA. Inne wymienniki o podobnej budowie, np.
PPN, PRPA, PP, WP, PU, GK, mają małą sprawność cieplną (małą
wartość współczynnika przenikania ciepła k) i są bardzo
materiałochłonne, toteż obecnie systematycznie wycofuje się je
z eksploatacji.
• Wymienniki typu woda-para nie różnią się
konstrukcją od wymienników typu para-woda,
zachodzi w nich bowiem odwrócenie funkcji
wymiennika - inny przepływ nośników. Nośnikiem
grzejnym jest woda przepływająca pod dużym
ciśnieniem przez wężownicę. Od dołu wymiennika jest
doprowadzana woda, ogrzewana przez wężownicę,
której temperatura powierzchni przekracza 100°C.
Górnym króćcem odprowadza się parę wodną.
• Wymienniki typu woda-para, nazywane również
wytwornicami pary, stosuje się tylko w przemyśle,
gdzie technologiczną wodę o wysokich parametrach
można zastosować do otrzymywania pary potrzebnej
do produkcyjnych procesów technologicznych lub w
pralni i kuchni zakładowej.
Wymienniki typów woda-powietrze i para-
powietrze
• Wymienniki typu woda-powietrze
(nagrzewnice powietrza) są stosowane w
instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.
Służą do ogrzewania powietrza tłoczonego
przewodami wentylacyjnymi.
• Nagrzewnice są zwartymi konstrukcjami stalowymi
składającymi się ze stalowej ramy z ożebrowanymi
rurami wewnątrz. Rurami tymi przepływa nośnik
grzejny - woda lub para.
• W wodnych nagrzewnicach powietrza rury
ożebrowane są ułożone poziomo.
• Wymienniki te wytwarza się jako urządzenia 1- lub
2-rzędowe. Zestawiając je szeregowo można
otrzymać nagrzewnice 3-, 4- lub nawet 5-rzędowe.
Wodna nagrzewnica powietrza
Charakterystyka techniczna wodnych nagrzewnic
powietrza
Wielkoś
ć
a
b
WI
W II
powierz
chnia
powierz
chnia
wymiany
ciepła
wymiany
ciepła
[mm]
[m
2
]
[mm]
[m
2
]
1
422
366
67
2,22
130
4,44
2
422
458
67
2,77
130
5,54
3
550
458
67
3,66
130
7,32
4
550
550
67
4,38
130
8,76
5
758
550
67
6,1
130
12,2
6
758
826
67
9,15
130
18,3
7
926
826
67
11,9
130
23,8
8
926
1102
100
15,9
194
31,8
9
1220
1102
100
19,85
194
39,7
10
1220
1375
100
24,8
194
49,6
11
1598
1375
100
32,6
194
65,2
• W ogrzewnictwie stosuje się również
parowe nagrzewnice powietrza ,których
konstrukcja różni się od wodnych
nagrzewnic jedynie układem rur
ożebrowanych.
• W parowych nagrzewnicach powietrza rury
ożebrowane są ustawione pionowo.
• Taki układ zapewnia grawitacyjny spływ
kondensatu po ściankach rury i kontakt pary
z całą wewnętrzną powierzchnią wymiany
ciepła. Nagrzewnice parowe można
zestawiać tak samo jak nagrzewnice wodne.
Parowa nagrzewnica powietrza
Charakterystyka techniczna parowych nagrzewnic
powietrza
Wielkość
a
b
PI
Pil
powierz
chnia
powierz
chnia
wymiany
ciepła
wymiany
ciepła
[mm]
[m
2
]
[mm]
[m
2
]
1
420
391
67
2,72
130
5,44
2
420
483
67
3,28
130
6,56
3
524
483
67
4,1
130
8,2
4
524
563
67
4,95
130
9,9
5
732
563
67
6,91
130
13,82
6
732
845
86
10,2
168
20,4
7
940
845
86
13,5
168
27,0
8
940
112
1
86
18,0
168
36,0
9
1252
112
1
86
24,0
168
48,0
10
1252
141
0
118
30,4
232
60,4
11
1616
141
0
118
39,2
232
78,4
12
1824
163
0
118
51,2
232
102,6
Osprzęt wymienników ciepła
• Warunkiem prawidłowej i bezawaryjnej eksploatacji
wymiennika jest wyposażenie go w osprzęt służący do kontroli i
regulacji parametrów pracy urządzenia oraz do jego ochrony
przed gwałtownym skokiem ciśnienia. Każdy wymiennik ciepła
typu woda-woda, woda-para i para-woda ma fabrycznie
przygotowane króćce na osprzęt regulacyjny i zabezpieczający.
• Osprzęt regulacyjno-kontrolny to:
• termometry do mierzenia temperatury nośnika grzejnego i
ogrzewanego,
• manometry do pomiaru ciśnienia w wymienniku,
• wodowskazy,
• zawory odcinające dopływ nośników do wymiennika ciepła, za
pomocą których można regulować strumień masy nośnika
grzejnego i ogrzewanego.
• Do osprzętu zabezpieczającego należą:
• zawór bezpieczeństwa (najczęściej typu ciężarkowego),
• zawór odpowietrzania,
• zawór zwrotny na przewodzie wodociągowym wymiennika
ciepła w instalacji ciepłej wody użytkowej