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