Výmenníky tepla

Čo sú a na čo slúžia výmenníky tepla

Výmenníky tepla sa využívajú na odovzdávanie tepla všade tam, kde nie je možné odovzdávať teplo priamo zo zdroja do spotrebiča. Typickými príkladmi sú odlišné teplonosné látky (nemrznúca kvapalina - voda, vykurovacia voda - teplá voda, centrálne zásobovanie teplom - vykurovacia voda v objekte, a pod.) alebo odlišné tlakové pomery v jednotlivých okruhoch (centrálne zásobovanie teplom až 20 bar - vykurovaca sústava max. 3 bary). 

Použitie výmenníkov tepla

Keďže v žiadnom tepelnom výmenníku nemožno dosiahnúť 100% termickej účinnosti - existuje vždy väčší či menší teplotný rozdiel medzi vstupnou vykurovacou kvapalinou a výstupnou orievanou kvapalinou. Návrh tepelného výmenníka je v každom systéme veľmi dôležitý a väčšinou na ňom závisí funkčnosť a účinnosť celého systému.

Typický príklad takejto závislosti je napríklad solárny systém alebo tepelné čerpadlo. Ak sa do vykurovacieho systému s týmito úspornými zdrojmi inštaluje tepelný výmenník, ktorý nie je dostatočne veľký, nestačí energiu odovzdávať, do zdrojov sa potom vracia vyššia teplota kvapaliny a núti ich pracovať pri vyššej teplote ako by mohli. To má samozrejme priamy vplyv na ich účinnosť - u solárneho systému sa znížia zisky vplyvom nižšej účinnosti kolektorov a u tepelného čerpadla poklesne vykurovací faktor.

Parametre a návrh systémov s výmenníkom tepla

Najdôležitejším parametrom každého tepelného výmenníka je bezpochybne odovzdávací výkon. Ten sa však mení s mnohými faktormi, hlavne s teplotným rozdielom medzi vykurovacou a ohrievanou stranou výmenníka (označovanou ako teplotný spád výmenníka, alebo stredný teplotný rozdiel výmenníka), prietokom vo vykurovacej i ohrievanej strane výmenníka a stypom pretekajúcej kvapaliny.

Nemožno preto jednoznačne udávať výkony tepelných výmenníkov bez upresnenia prevádzkových podmienok, v ktorých budú pracovať. Všeobecne platí, že čím vyšší je teplotný rozdiel medzi vykurovacou a ohrievanou stranou a čím sú vyššie prietoky na oboch stranách výmenníka, tým je vyšší aj odovzdávaný výkon výmenníka.

Tepelné výmenníky sa vždy navrhujú pre konkrétne aplikácie a podmienky prevádzky. Pre aplikáciu výmenníka so solárnym systémom, tepelným čerpadlom alebo kondenzačným kotlom je nutné navrhnnúť tepelný výmenník pre nízky teplotný spád alebo nízky rozdiel medzi vykurovacou a ohrievanou stranou.

Vyšší teplotný spád znamená vyššiu pracovnú teplotu solárneho systému alebo tepelného čerpadla, jeho horšiu účinnosť, resp. topný faktor. Čím je navrhnutý teplotný spád tepelného výmenníka vyšší, tým je potrebná veľkosť výmeníka nižšia a teda aj investícia do výmenníka bude nižšia. Preto u systémov albo zdrojov, u ktorých sa nekladú vysoké nároky na čo najnižšiu teplotu zdroja, postačujú výmenníky, ktoré sú menšie a lacnejšie. Typickým príkladom sú napríklad systémy s bežným plynovým kotlom, elektrokotlom alebo s kotlom na tuhé palivá, pretože pri vyššej pracovnej teplote týchto zdrojov neklesá ich účinnosť.

Typy tepelných výmenníkov

Existujú dva základné typy tepelných výmenníkov, ktoré sa líšia svojou konštrukciou, základnými parametrami a použitím - rúrkové tepelné výmenníky a doskové tepelné výmenníky.

Rúrkové tepelné výmenníky

Rúrkové tepelné výmenníky sú jednoduché zariadenia zostávajúce z jednej alebo viacerých stočených rúrok, kde prestupnú plochu tvorí vonkajší plášť tejto rúrky. Typickým príkladom týchto výmenníkov sú integrované tepelné výmenníky v zásobníkoch ohriatej pitnej vody alebo v akumulačných nádržiach. Tieto výmenníky sú jednoduché, majú malú tlakovú stratu (jedná sa iba o rúrku) a sú lacné.

Bohužiaľ majú nízky prestupný koeficient, čo znamená, že pre odovzdávanie i reletívne malého výkonu potrebujú veľkú prestupnú plochu. Preto sa tieto výmenníky používajú v systémoch, ktoré pracujú maximálne v rádoch niekoľkých desiatok kilowat a zároveň nie je požiadavka na malý teplotný rozdiel medzi vykurovacou a ohrievanou kvapalinou. Ich použitie je tak obmedzené na relatívne malé solárne systémy (1 kolektor potrebuje pre optimálnu prevádzku cca 0,5 m2 rúrkového výmenníka), tepelné čerpadlá s výkonmi do cca 10 kW a na vysokoteplotné zdroje.

Doskové tepelné výmenníky

Doskové tepelné výmenníky majú prestupný koeficient až 10x vyšší ako rúrkové výmenníky a odovzdávací výkon týchto výmenníkov môže byť až v rádoch stoviek kilowatov. Doskové tepelné výmenníky nmožno použiť ako integrované, z čoho plynie aj ich nevýhoda - je nutné použiť obehové čerpadlo ako na vykurovaciu stranu, tak aj na ohrievanú. U integrovaných rúrkových výmenníkov je obehové čerpadlo obvykle potrebné iba jedno. Investičné náklady sú teda u varianty doskového výmenníka obvykle vyššie, a sú vyššie i prevádzkové náklady, keďže je potrebné počítať s takmer dvojnásobným elektrickým príkonom na pohon obehových čerpadiel.

Obrovskou výhodou týchto výmenníkov je veľká variabilnosť vo veľkostiach a typoch vyhotovenia, možnosť navrhnúť výmenník i na extrémne malý teplotný spád (maximálny zisk solárneho systému) a odovzdanie veľkého vykurovacieho výkonu (prietoková príprava ohriatej pitnej vody, CZT, veľkoplošný solárny systém, a pod.).
CZT = Centrálne Zásobovanie Teplom. Rozvod tepla pre vykurovanie a prípravu ohriatej pitnej vody napríklad z mestskej teplárne, spaľovne alebo okresnej kotolnč do jednotlivých panelových domov a objektov.