Działanie wymienników ciepła bazuje na prawach termodynamiki, które w związku z tym krótko przypominamy. Kluczowe w tym przypadku są pierwsza i druga zasada termodynamiki.
Pierwsza dotyczy zachowania energii. Zgodnie z nią energia w układzie izolowanym nie może być ani utworzona, ani zniszczona, mogą jedynie zachodzić przemiany z jednych form energii w inne. W kontekście wymienników oznacza to, że w układzie zamkniętym całkowita energia termiczna strumieni płynów jest taka sama przed i za wymiennikiem (jeżeli zignorujemy straty).
Druga zasada termodynamiki dotyczy kierunkowości procesu wymiany ciepła, który samorzutnie zachodzi tylko w jednym kierunku. Wynika to stąd, że entropia w układzie izolowanym zawsze w czasie rośnie. Zasada ta przejawia się w wymiennikach jako nieunikniona tendencja do przepływu ciepła z medium o wyższej temperaturze do tego chłodniejszego, nigdy odwrotnie.
Jeżeli chodzi o mechanizm przekazywania ciepła, to z trzech podstawowych typów – przewodzenia, konwekcji oraz promieniowania – w wymiennikach dominują dwa pierwsze. W przewodzeniu proces wymiany ciepła zachodzi pomiędzy ciałami różniącymi się temperaturą, które pozostają ze sobą w bezpośrednim kontakcie. Trwa do czasu, aż ich temperatury się wyrównają. W konwekcji wymiana ciepła zachodzi z kolei na skutek ruchów płynu (prądów konwekcyjnych) spowodowanych różnicą temperatur.
Wzorce przepływu
Wymienniki ciepła klasyfikuje się, biorąc pod uwagę kilka kryteriów. Jednym z nich są kierunki przepływu strumieni płynów, między którymi zachodzi wymiana ciepła. Wyróżnia się wymienniki w układzie: współbieżnym (równoległym), przeciwprądowym, krzyżowym i mieszanym (rys. 1).
W pierwszym płyny płyną w tym samym kierunku. Konfiguracja ta jest najprostsza, ale zarazem umożliwia najmniej efektywną wymianę ciepła. Wymienniki tego rodzaju są przez to większe i w rezultacie droższe. Z drugiej strony, ponieważ rozkład temperatury ich ścianek jest jednorodny, nie występują w nich nadmierne naprężenia termiczne.
W drugim układzie czynnik grzewczy i płyn ogrzewany wpływają do wymiennika z jego przeciwnych końców i płyną równolegle do siebie, ale w przeciwnych kierunkach. Konfiguracja ta zapewnia maksymalny transfer ciepła na jednostkę masy medium. Pozwala to na krzyżowanie się temperatur. To z kolei oznacza, że np. w procesie ogrzewania temperatura wylotowa czynnika ogrzewanego może być wyższa od temperatury wylotowej czynnika grzewczego. W wymiennikach ciepła z przepływem współbieżnym nie jest to osiągalne. W układzie przeciwprądowym w ściankach wymiennika mogą, niestety, wystąpić duże naprężenia termiczne.
Rekuperatory a regeneratory
W krzyżowym wzorze przepływu płyny płyną prostopadle do siebie. Pod względem efektywności wymiany ciepła plasuje się on pomiędzy wcześniej opisanymi konfiguracjami. Układ krzyżowy jest jednak w praktyce rzadko spotykany samodzielnie. Częściej pozostaje składową kombinacji różnych wzorów przepływu, jaką stanowi układ mieszany. Ten ostatni jest najpopularniejszy.
Wymienniki dzieli się również na te, w których płyny mają ze sobą kontakt, oraz bezkontaktowe. W tych drugich wykorzystuje się element, za pośrednictwem którego dodochodzi do przepływu ciepła między mediami. Dzieli się je na rekuperatory, z bezpośrednią wymianą ciepła, oraz regeneratory, z wymianą pośrednią.
W regeneracyjnych wymiennikach tą samą drogą najpierw płynie czynnik gorący, a następnie zimny. Powoduje to ogrzanie kanału, a potem odebranie zmagazynowanej w nim energii cieplnej. Regeneratory nie są zbyt powszechne. Znacznie popularniejsze pozostają wymienniki rekuperacyjne, w których element pośredniczący oddziela czynniki, które różnią się temperaturą. Do tej kategorii zalicza się wymienniki płaszczowo-rurowe. Ten typ jest często wykorzystywany w przemyśle.
Budowa wymienników płaszczowo-rurowych
Główne komponenty tytułowych wymienników to: płaszcz, rurki, przegrody, płyty sitowe i głowice (rys. 2). Płaszcz stanowi najbardziej zewnętrzną część wymiennika. Jest to cylindryczny kontener, w którym zamknięto wiązkę rurek. Średnicę płaszcza dobiera się w zależności od liczby oraz rozmieszczenia rurek, jego długość – odpowiednio do długości rurek, a grubość ścianek – stosownie do jego średnicy i ciśnienia roboczego.
Płaszcz z obu stron zamknięty jest głowicami. Zapewniają one szczelność, a jednocześnie dostęp do rurek w celu ich czyszczenia, zaślepienia, naprawy czy wymiany. Zbiór równoległych rurek biegnących wzdłuż płaszcza tworzy wiązkę. Ich rozstaw, czyli odległość od środków rurek sąsiadujących ze sobą, a także układ (równoległy, pod kątem), liczba, średnica i długość wpływają na dynamikę przepływu i powierzchnię wymiany ciepła, a przez to również na jej efektywność. Grubość rurek powinna być wystarczająca, żeby wytrzymały ciśnienie wewnętrzne wraz z odpowiednim naddatkiem na rozwój korozji.
Płyty sitowe z kolei oddzielają wnętrze płaszcza wymiennika od głowic. Są perforowane otworami, którymi prowadzone są rurki. Płyty sitowe je podtrzymują. Przegrody zaburzają przepływ medium w płaszczu, co ma na celu zwiększenie prędkości przepływu oraz, docelowo, poprawę efektywności wymiany ciepła. Zapobiegają także gromadzeniu się zanieczyszczeń na powierzchniach, na których zachodzi transfer ciepła. Dodatkowo przegrody podtrzymują rurki.
Jak działają wymienniki płaszczowo-rurowe?
Niezbędne komponenty wymienników to także: mocowane do kołnierzy dysze wlotowe i wylotowe, służące jako punkty wejścia i wyjścia dla płynów, między którymi będzie zachodził transfer ciepła, konstrukcje wsporcze, na których opiera się wymiennik, i złącza (mieszki) rozprężne. Te ostatnie to elastyczne elementy zaprojektowane tak, aby pochłaniać naprężenia spowodowane rozszerzaniem się po podgrzaniu i kurczeniem po schłodzeniu płaszcza i rurek. Bez zamontowanych na końcach wymiennika mieszków można spodziewać się wystąpienia takich problemów, jak: wyboczenie rurek, ich wysunięcie się z płyt sitowych czy deformacja płaszcza. To powoduje naruszenie integralności strukturalnej wymiennika i sprawia, że staje się on niebezpieczny w eksploatacji.
Zasada działania tytułowych wymienników jest prosta: jeden płyn płynie rurkami, a drugi krąży w płaszczu. Decyzja o tym, które medium ma płynąć, którą drogą, nie jest już jednak taka oczywista. W tym przypadku pod uwagę trzeba wziąć przede wszystkim specyfikę płynu. Należy też pamiętać, że płaszcz stanowi droższy komponent wymienników w porównaniu do rur, a także staje się trudniejszy do wyczyszczenia. Generalnie zaleca się w związku z tym, żeby rurkami płynęły np. płyny korozyjne (wymiana rurek jest tańsza), media toksyczne (ze względu na dodatkową ochronę zapewnianą przez płaszcz w razie ich wycieku), płyny, które mogą pozostawiać osady (rurki łatwiej wyczyścić), a także płyny o małej lepkości i małym natężeniu przepływu (w ich przypadku w rurkach łatwiej zapewnić większy współczynnik wymiany ciepła).
Monika Jaworowska
