Porównanie wymienników ciepła w chillerach – co wybrać i w jakich przypadkach

Wymienniki ciepła są kluczowymi elementami agregatów wody lodowej, które bezpośrednio wpływają na wydajność wymiany ciepła, efektywność energetyczną i niezawodność całego agregatu.

W poprzednim artykule omówiliśmy już kryteria wyboru medium chłodzącego skraplacz. Po przeanalizowaniu chłodzenia wodą, kolejnym logicznym krokiem jest wybór typu wymiennika ciepła.

Rys. 1. Przykład chilleru opartego na płytowych wymiennikach ciepła

Rys. 2. Przykład chilleru opartego na płaszczowo-rurowych wymiennikach ciepła

W niniejszym artykule porównano dwa główne typy wymienników ciepła stosowanych jako parownik i/lub skraplacz: płytowe wymienniki ciepła (PHE) i płaszczowo-rurowe wymienniki ciepła (SHE). Oba rozwiązania mają swoje własne cechy konstrukcyjne, zalety i ograniczenia, które są krytyczne przy wyborze sprzętu do określonych warunków pracy. Dobrą wiadomością jest to, że parametry, według których będziemy porównywać wymienniki ciepła, są prawdziwe zarówno dla skraplacza, jak i parownika agregatu chłodniczego. Rzadko zdarzają się dwa różne typy chłodzonych wodą wymienników ciepła w tej samej jednostce.

Jeśli nie masz pewności, który typ wymiennika ciepła najlepiej odpowiada Twoim wymaganiom, nasi eksperci pomogą Ci w wyborze!

Płytowy wymiennik ciepła (PHE)

W płytowym wymienniku ciepła wymiana ciepła między dwoma niemieszającymi się strumieniami (cieczy lub gazów) odbywa się za pośrednictwem cienkich płyt o pofałdowanych powierzchniach o różnych profilach. Taka konstrukcja zapewnia intensywne turbulencje i wysoką wydajność wymiany ciepła.

W zależności od rodzaju montażu, płytowe wymienniki ciepła dzielą się na:

• składane
• lutowane;
• półspawane;
• spawane (wysoce wyspecjalizowane, poza zakresem tego artykułu).

Płytowe składane wymienniki ciepła

Kluczową różnicą w tym urządzeniu jest to, że pakiet płyt jest całkowicie demontowany i ponownie montowany podczas regularnej konserwacji, co umożliwia nie tylko płukanie płyt, ale także czyszczenie mechaniczne. Nie mieszanie się dwóch mediów jest zapewnione poprzez umieszczenie uszczelki pomiędzy dwoma pojedynczymi płytami.

Rys. 3. Schemat przepływu medium w płytowym wymienniku ciepła

Rys. 4. Pojedyncza płyta składanego wymiennika ciepła z uszczelką

Warto również zauważyć, że możliwość całkowitego demontażu urządzenia pozwala nie na wymianę całego urządzenia w przypadku nieszczelności, ale na szybką identyfikację niedziałających elementów, ich wymianę i ponowne uruchomienie wymiennika ciepła. Jeśli dostępne są niezbędne części zamienne, cała procedura zajmie maksymalnie kilka godzin.

Bezpośrednio jako część chilleru najprawdopodobniej nie spotkasz takiego urządzenia, ponieważ nie jest ono zaprojektowane do ciśnień, przy których działa obieg czynnika chłodniczego, a instalacja takiego wymiennika ciepła jako parownika lub skraplacza doprowadzi do wyciskania uszczelek i wycieków czynnika chłodniczego. Niemniej jednak, jako dodatkowy wymiennik ciepła do oddzielenia „czystego obiegu” jest to jedno z najlepszych rozwiązań.

Półspawane wymienniki ciepła

W półspawanych wymiennikach ciepła pakiet płyt jest wykonany w sposób kombinowany. Płyty są spawane ze sobą parami, a uszczelki są mocowane na zewnątrz takiej pary, a następnie naprzemiennie z następną spawaną parą płyt.

Ten typ konstrukcji pozwala na zastosowanie półspawanych wymienników ciepła w agregacie chłodniczym, gdzie wewnątrz spawanej płyty następuje kondensacja lub wrzenie czynnika chłodniczego, a po drugiej stronie – chłodzenie lub ogrzewanie czynnika chłodniczego. Spawanie płyt eliminuje możliwość wycieku czynnika chłodniczego w obiegu chłodniczym.

Rys. 5. Półspawana płyta TVET

Lutowane wymienniki ciepła

Lutowane wymienniki ciepła również składają się z pakietu płyt, ale różnią się od tych składanych tym, że są ze sobą zlutowane, przez co montaż/demontaż takiego pakietu jest niemożliwy. Lutowanie odbywa się za pomocą niklu lub miedzi, więc istnieją dwa główne typy lutowanych płytowych wymienników ciepła: lutowane niklem i lutowane miedzią. Lut niklowy jest stosowany w jednostkach, które będą pracować z bardziej agresywnymi mediami.

Rysunek 6. Lutowany płytowy wymiennik ciepła

Rys. 7. Technologia produkcji lutowanego płytowego wymiennika ciepła. Blacha ze stali nierdzewnej i folia miedziana są ściskane razem w prasie hydraulicznej (1A). Powstałe w ten sposób płyty faliste są łączone w pakiet (1B). Pakiet płyt jest następnie umieszczany w piecu próżniowym i podgrzewany do temperatury topnienia miedzi. Ze względu na napięcie powierzchniowe, ciekła miedź gromadzi się na krawędziach i punktach styku płyt, tworząc szczelne kanały (1C).

Plusy i minusy płytowych wymienników ciepła

Zalety:

• Łatwość transportu i instalacji, ponieważ płytowy wymiennik ciepła ma mniejsze rozmiary niż inne typy regeneracyjnych wymienników ciepła.
• Łatwość konserwacji – składane, częściowo spawane i spawane wymienniki ciepła są łatwe do mycia, ponieważ są albo całkowicie zdemontowane, jak w przypadku jednostek składanych, albo częściowo zdemontowane, dając dostęp do płyt, jak w przypadku jednostek częściowo spawanych i spawanych. Technologia mycia CIP jest dostępna dla nierozkładanych FSP.
• Wysoka wydajność – współczynnik przenikania ciepła FHE jest 3-5 razy wyższy niż w przypadku wymienników płaszczowo-rurowych.
• Cena – koszt płytowych wymienników ciepła jest niższy niż podobnych wymienników płaszczowo-rurowych ze względu na znacznie niższą intensywność metalu.

Wady:

• Często wymagane jest uziemienie. Ponieważ płyty mają niewielką grubość – są narażone na prądy błądzące, co prowadzi do powstawania w nich dziur.
• Bardziej wymagająca jakość czyszczenia chłodziwa. Ze względu na dużą prędkość mediów roboczych wewnątrz składanych wymienników ciepła, osady i zatory gromadzą się na ich wewnętrznych powierzchniach wolniej niż na powierzchniach jednostek płaszczowo-rurowych. Ponieważ jednak odległość między płytami jest niewielka, kanały są bardziej podatne na zanieczyszczenia niż wewnętrzne powierzchnie płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła, co skutkuje niższym współczynnikiem przenikania ciepła.

Skontaktuj się z naszymi specjalistami, aby uzyskać poradę techniczną i profesjonalny dobór wymiennika ciepła do Twojego zastosowania lub wybierz już dostępny sprzęt, prezentowany w naszym katalogu.

Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła (STE)

Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła składa się z wiązki rurek umieszczonych wewnątrz cylindrycznego płaszcza. Jeden czynnik przepływa przez rury, a drugi przepływa wokół rur, co sprzyja przenoszeniu ciepła. Aby uniknąć ugięcia rur, gdy stosunek długości rury do jej średnicy jest duży, w płaszczu wymiennika ciepła stosowane są przegrody wsporcze.

Insider: W płaszczowo-rurowych wymiennikach ciepła o niskiej jakości wykonania dochodzi do tarcia rur w miejscu, w którym rury przechodzą przez przegrodę wsporczą z powodu luźnego kontaktu i wynikających z tego wibracji.

Zalety

• Zaprojektowany dla wyższych ciśnień i temperatur
• Odpowiedni do obsługi zanieczyszczonych płynów. Mniej podatne na zanieczyszczenia niż płytowe wymienniki ciepła.

Wady

• Nieporęczna konstrukcja, wymagająca więcej miejsca na instalację. W konsekwencji agregat wody lodowej ma również duży rozmiar i wagę.
• Mniejsza wydajność niż w przypadku płytowych wymienników ciepła dla małych różnic temperatur.
• Trudna konserwacja: czyszczenie rur może być czasochłonne.

W zależności od zastosowania, płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła może mieć różne konfiguracje połączeń.

Skraplacz płaszczowo-rurowy

W skraplaczu płaszczowo-rurowym przegrzane pary czynnika chłodniczego ze sprężarki są schładzane do temperatury nasycenia i skraplane. W niektórych przypadkach powstały kondensat jest schładzany poniżej temperatury skraplania (przechłodzony).

Pośredni czynnik chłodzący przepływa przez rury, a czynnik chłodniczy skrapla się na ich zewnętrznej powierzchni. Dolna część obudowy zwykle nie jest wypełniona rurami i może być używana jako odbiornik ciekłego czynnika chłodniczego.

Rysunek 8. Schemat przepływu czynnika w skraplaczu płaszczowo-rurowym

Parownik płaszczowo-rurowy

W parowniku płaszczowo-rurowym ciekły czynnik chłodniczy wrze, zamieniając się w parę, która jest odsysana przez sprężarkę. Wrzenie czynnika chłodniczego odbywa się dzięki ciepłu pobieranemu z czynnika chłodzonego w parowniku. W parownikach płaszczowo-rurowych czynnik chłodniczy może wrzeć zarówno wewnątrz rur, jak i w przestrzeni międzyrurowej. Parownik płaszczowo-rurowy, w którym czynnik chłodniczy wrze w przestrzeni międzyrurowej, a czynnik chłodniczy przepływa w rurkach, nazywany jest parownikiem „zalanym”. Główną wadą parowników płaszczowo-rurowych typu zalanego jest niebezpieczeństwo zamarznięcia czynnika chłodniczego w rurach w przypadku zatrzymania jego cyrkulacji, co może prowadzić do pęknięcia rur.

W przypadku agregatów chłodniczych do zastosowań półprzemysłowych i komercyjnych bardziej powszechny jest parownik płaszczowo-rurowy z wrzeniem czynnika chłodniczego w rurze, który jest pozbawiony tej wady.

Rys. 9. Schemat przepływu czynnika w parowniku płaszczowo-rurowym z wrzeniem czynnika chłodniczego in-line

Potrzebujesz pomocy w doborze wymiennika ciepła lub układu chłodniczego?

Skontaktuj się z naszymi inżynierami w celu uzyskania porady technicznej – pomożemy Ci znaleźć najlepsze rozwiązanie dla Twojej aplikacji. Zapoznaj się również z katalogiem chillerów i innych urządzeń klimatyzacyjnych na naszej stronie internetowej – aktualne modele, szczegółowe specyfikacje i indywidualne podejście do każdego klienta.

Porównanie

Który wymiennik ciepła jest odpowiedni do danego zastosowania? Wybór między płytowym a płaszczowo-rurowym wymiennikiem ciepła zależy od konkretnych potrzeb: Użyj płytowego wymiennika ciepła, jeśli potrzebujesz wysokiej wydajności, kompaktowej konstrukcji i łatwej konserwacji czystych cieczy. Płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła należy używać w zastosowaniach wysokociśnieniowych, w przypadku zanieczyszczonych płynów lub gdy najważniejsza jest trwałość. To krótka i prosta odpowiedź na złożone pytanie. Aby podjąć decyzję o zastosowaniu jednego lub drugiego typu wymiennika ciepła, należy wziąć pod uwagę wiele parametrów. Niewyczerpująca lista czynników do porównania znajduje się w tabeli 1.

Tabela 1. Porównanie płaszczowo-rurowych i płytowych wymienników ciepła

Wnioski

Zarówno płytowe, jak i płaszczowo-rurowe wymienniki ciepła oferują wyraźne zalety. W branżach, w których wymagane jest kompaktowe i wydajne chłodzenie, idealnym rozwiązaniem może być płytowy wymiennik ciepła. Z drugiej strony, wymiennik płaszczowo-rurowy lepiej nadaje się do zastosowań, w których ważna jest trwałość i zdolność do radzenia sobie z zanieczyszczonymi mediami i wysokimi ciśnieniami. Wybór odpowiedniego wymiennika ciepła zależy od takich czynników, jak rodzaj płynu, zakres temperatur, dostępność miejsca i potrzeby konserwacyjne.

Jeśli nadal masz pytania dotyczące wyboru sprzętu, skontaktuj się ze specjalistami Europrom. Pomożemy wybrać odpowiednie rozwiązanie i zaoferujemy niezawodne agregaty wody lodowej przedstawione w naszym katalogu.

Co otrzymujesz wraz z EVROPROM

Profesjonalny dobór techniczny: bierzemy pod uwagę parametry pracy, środowisko, warunki pracy i konfigurację systemu – oferujemy optymalne rozwiązanie dla konkretnego zadania.

Ekspertyzę techniczną i doradztwo: wyjaśniamy zalety iwady każdej opcji pod względem niezawodności, konserwacji, efektywności energetycznej i żywotności.

Katalog sprawdzonych urządzeń: szeroka gama agregatów wody lodowej z płaszczowo-rurowym i płytowym wymiennikiem ciepła od sprawdzonych producentów, dostosowanych do zastosowań przemysłowych i komercyjnych.

Zmniejszone ryzyko operacyjne: odpowiednia konstrukcja wymiennika ciepła minimalizuje ryzyko wycieków, przegrzania, zamarznięcia lub utraty wydajności.

Ekonomia posiadania pod kontrolą: optymalizacja kosztów instalacji, konserwacji i energii w całym okresie eksploatacji urządzenia.

Autor artykułu:
Andrey Kohan, inżynier chłodnictwa
29.08.2025