Rodzaje wymienników ciepła

Wymienniki ciepła są urządzeniami wykorzystywanymi do efektywnej wymiany ciepła pomiędzy dwoma odrębnymi substancjami. Istnieje wiele rodzajów wymienników ciepła, które mają odmienne zastosowania w różnych sektorach. Wymienniki ciepła działają poprzez przeprowadzenie ciepła z jednego medium do drugiego. Mogą być stosowane w systemach grzewczych, chłodzących oraz w przemyśle. Wymienniki ciepła są integralną częścią wielu procesów przemysłowych, umożliwiając utrzymanie optymalnej temperatury. Dzięki różnym rodzajom wymienników ciepła można dostosować ich konstrukcję do konkretnych wymagań i parametrów aplikacji. Jeśli chcesz dowiedzieć się jakie rodzaje wymienników ciepła wyróżnia się pod kątem metod przekazywania ciepła, ich budowy, oraz rodzaju medium, z którym może współpracować dany wymiennik, przeczytaj poniższy artykuł.

Rodzaje wymienników ciepła a metody przekazywania ciepła

Ze względu na sposób, w jaki przeprowadzany jest transfer ciepła między płynami, wymienniki ciepła możemy podzielić na kontaktowe oraz bezkontaktowe. Dużo częściej w przemyśle stosuje się ten drugi rodzaj. Poniżej można znaleźć odpowiedź na pytanie, z czego to wynika.

Wymienniki kontaktowe

Kontaktowe wymienniki ciepła są urządzeniami, w których płyny mają bezpośredni kontakt ze sobą. Dzięki temu możliwe jest osiągnięcie dużych współczynników przewodzenia ciepła. Ponadto takie wymienniki umożliwiają łatwą do zrealizowania wymianę ciepła między więcej niż dwoma strumieniami płynów. Jednak należy pamiętać, że w większości zastosowań przemysłowych konieczna jest wymiana ciepła bez mieszania się płynów ze sobą, co możliwe jest do zrealizowania tylko dzięki zastosowaniu wymienników bezkontaktowych, które zostaną opisane poniżej.

Wymienniki bezkontaktowe

Bezkontaktowe wymienniki ciepła są urządzeniami, które umożliwiają przekaz energii termicznej między dwoma płynami niemającymi bezpośredniego kontaktu ze sobą. Do tego typu urządzeń można zaliczyć rekuperatory, które są najczęściej stosowanymi w przemyśle wymiennikami ciepła. To właśnie rekuperatorami są wymienniki płytowe oraz płaszczowo-rurowe, takie jak na przykład:

• płytowy wymiennik ciepła Ba-23-30 3/4" 15-35 kW,
• płytowy wymiennik ciepła Ba-32-30 1" 30-65 kW,
• oraz płaszczowo-rurowy wymiennik basenowy B210 61 kW.

Wymienniki bezkontaktowe są tak rozpowszechnione w przemyśle z prostej przyczyny - płyny, które uczestniczą w wielu procesach, mają różne właściwości fizyczno-chemiczne i nie powinny się ze sobą mieszać (np. olej i woda).

Rodzaje wymienników ciepła pod kątem budowy

Rodzaje wymienników ciepła pod kątem budowy można podzielić na płytowe wymienniki ciepła oraz rurowe wymienniki ciepła. Różnią się one między sobą nie tylko budową, lecz także zastosowaniem. Poniżej znajduje się ich charakterystyka.

Płytowe wymienniki ciepła

Płytowe wymienniki ciepła są urządzeniami składającymi się z metalowych płyt, których zadaniem jest efektywna wymiana ciepła między płynami o różnej temperaturze bez ich mieszania. Dzięki swojej konstrukcji pozwalają na szybki i skuteczny transfer ciepła za pomocą różnych mechanizmów, takich jak konwekcja. Płyty znajdujące się wewnątrz wymiennika tworzą kanaliki, przez które przepływają płyny. Dzięki temu zapewniają dużą powierzchnię kontaktu płyt z płynami, co umożliwia efektywny transfer energii termicznej. Płytowe wymienniki ciepła są szeroko stosowane w przemyśle, w tym w procesach chłodzenia i ogrzewania, pomagając oszczędzać energię i zwiększać wydajność systemów grzewczych i chłodniczych. Wyróżniamy następujące rodzaje płytowych wymienników ze względu na ich konstrukcję:

• lutowane - są to wymienniki ciepła o zwartej konstrukcji; miedziane połączenie lutowane gwarantuje wysoką szczelność, a co za tym idzie dużą efektywność wymiany ciepła, ze względu na małe straty cieplne,
• skręcane - wymienniki płytowe o mniejszej szczelności w porównaniu z lutowanymi, lecz umożliwiające łatwiejszy serwis i czyszczenie wnętrza urządzenia.

Rurowe wymienniki ciepła

Rurowe wymienniki ciepła, nazywane też wymiennikami płaszczowo-rurowymi, to powszechnie stosowane urządzenia do efektywnej wymiany ciepła między dwoma płynami. Ich konstrukcja oparta jest na cylindrycznym płaszczu, w którym umieszczone są rurki. Głównym celem takiego układu jest umożliwienie przepływu jednego płynu wokół rurek, podczas gdy drugi płyn przepływa przez rurki. W ten sposób dochodzi do transferu ciepła między płynami. Wymienniki płaszczowo-rurowe znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach, w tym w przemyśle chemicznym, spożywczym czy energetyce. Dzięki swojej skuteczności i łatwości obsługi są one integralną częścią procesów wymiany ciepła w różnych branżach. 

Rodzaje wymienników ciepła - podział ze względu na medium

Wymienniki ciepła kojarzone są głównie z wymiennikami, w których zarówno jednym, jak i drugim medium jest ciecz (np. woda lub glikol). Warto jednak wiedzieć, że wymienniki ciepła mogą przekazywać ciepło pomiędzy gazami lub pomiędzy gazami a cieczami. Wyróżniamy następujące pary płynów, które są obsługiwane przez wymienniki ciepła:

• ciecz-ciecz,
• gaz-gaz,
• ciecz-gaz.

Poniżej zostały opisane poszczególne pary mediów, które mogą współpracować z różnymi wymiennikami ciepła.

Wymienniki ciepła typu ciecz-ciecz

Wymienniki ciepła typu ciecz-ciecz są urządzeniami wykorzystywanymi do efektywnej wymiany ciepła pomiędzy dwoma cieczami o różnych parametrach fizyczno-chemicznych (np. temperatura pracy, temperatura zamarzania, gęstość). Przykładami takich układów są: woda-woda, woda-olej oraz woda-glikol. Wymienniki te znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak przemysł chemiczny czy energetyka. Dzięki nim możliwe jest skuteczne i energooszczędne przenoszenie ciepła pomiędzy różnymi medium, co przyczynia się do optymalnego wykorzystania dostępnej energii. 

Wymienniki ciepła typu gaz-gaz

Wymienniki ciepła typu gaz-gaz są wykorzystywane do przekazywania ciepła pomiędzy dwoma strumieniami gazów. Jednym z przykładów takiego wymiennika jest układ powietrze-powietrze, gdzie ciepło jest przekazywane pomiędzy dwoma strumieniami powietrza. Innym przykładem jest wymiennik spaliny-powietrze, gdzie ciepło ze spalin jest odzyskiwane i dalej wykorzystywane w instalacjach CO, do ogrzania powietrza w komorach spalania pieców oraz do suszenia paliw stałych - np. drewna lub węgla. Wymienniki ciepła typu gaz-gaz są stosowane w różnych branżach, takich jak przemysł chemiczny, energetyka czy przemysł spożywczy. 

Wymienniki ciepła typu ciecz-gaz

Wymienniki ciepła typu ciecz-gaz są urządzeniami, które umożliwiają efektywną wymianę ciepła między cieczą a gazem. Wymienniki te działają w następujących parach płynów:

• woda-powietrze,
• glikol-powietrze.

Wymiennik woda-powietrze jest często wykorzystywany w instalacjach ogrzewania i klimatyzacji, gdzie woda ogrzewana w kotłach przekazuje ciepło do powietrza, które następnie jest rozprowadzane w pomieszczeniach. Natomiast wymienniki ciepła glikol-powietrze znajdują zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu oraz w budynkach mieszkalnych. Przykładowo wymiennik glikol-powietrze (GWO) ma za zadanie zwiększyć efektywność urządzeń wentylacyjnych służących do podgrzania powietrza zimą i schłodzenia go latem.

Rodzaje wymienników ciepła a kierunek przepływu płynu

• współprądowe - to urządzenia, w których wymiana ciepła ma miejsce pomiędzy 2 strumieniami płynu płynącymi w tym samym kierunku. Jest to najmniej efektywny sposób wymiany ciepła (pod kątem kierunku przepływu).
• przeciwprądowe - to wymienniki ciepła o dużo większej efektywności w porównaniu z układem współprądowym. Umożliwiają otrzymanie zbliżonych temperatur płynów na wlocie i wylocie z wymiennika. 
• krzyżowe - to wymienniki, w których jeden strumień płynie względem drugiego pod kątem prostym. Rzadko spotyka się 100% układ krzyżowy - występuje on jako element składowy przepływu w wymienniku rurowym.

Rodzaje wymienników ciepła ze względu na materiał, z jakiego są wykonane

Wymienniki ciepła różnią się od siebie pod względem materiałów, z jakich są wykonane. Jednym z popularnych materiałów, z których wykonuje się wymienniki ciepła, jest stal nierdzewna kwasoodporna (316L). Jest to materiał o dużej wytrzymałości i doskonałych właściwościach termicznych. Innym często stosowanym materiałem jest tytan, który cechuje się wysoką odpornością na korozję nawet w środowisku słonym (np. woda morska) przy jednoczesnej lekkości i wytrzymałości. Wymienniki ciepła wykonane z tytanu są często stosowane w przemyśle chemicznym i petrochemicznym, a także jako wymienniki basenowe.