Maria Libionka, Inżynier ds. Wsparcia Technicznego SPETECH^®

Wprowadzenie

Wymienniki ciepła stanowią kluczową grupę urządzeń inżynieryjnych, szeroko wykorzystywaną w przemyśle. Występują one w instalacjach energetycznych, chemicznych, petrochemicznych oraz spożywczych, a także w systemach chłodzenia pojazdów czy instalacjach grzewczych.
Podstawowy podział wymienników ciepła obejmuje urządzenia kontaktowe i bezkontaktowe. Wśród nich szczególne znaczenie mają rekuperatory, do których zalicza się wymienniki płaszczowo - rurowe. Ze względu na ich efektywność i wszechstronność, stanowią one dominujący typ konstrukcji stosowany w przemyśle.

Budowa i zasada działania wymienników płaszczowo - rurowych

Wymienniki płaszczowo - rurowe składają się zasadniczo z następujących elementów konstrukcyjnych:

• płaszcz – cylindryczna obudowa, przez którą przepływa medium oddające ciepło,
• zestaw rur – układ przewodów wewnętrznych, w których przepływa medium odbierające ciepło,
• przegrody prowadzące – elementy zwiększające efektywność wymiany ciepła poprzez wymuszanie odpowiedniego przebiegu przepływu medium w płaszczu,
• króćce wlotowe i wylotowe – elementy odpowiedzialne za doprowadzanie i odprowadzanie medium roboczego.

Zasadniczą funkcją wymienników ciepła jest przekazywanie energii cieplnej pomiędzy dwoma mediami o różnych temperaturach bez ich bezpośredniego kontaktu, co pozwala na zachowanie ich separacji chemicznej i fizycznej.

Optymalizacja efektywności wymienników płaszczowo-rurowych

Wymienniki płaszczowo - rurowe charakteryzują się wysoką uniwersalnością, wynikającą z modularnej budowy oraz możliwości stosowania standaryzowanych elementów. Ich projektowanie opiera się na zaawansowanych metodach obliczeniowych, wspomaganych oprogramowaniem inżynierskim, co umożliwia precyzyjne dopasowanie parametrów operacyjnych do wymaganej aplikacji.
Jednym z kluczowych aspektów optymalizacji wydajności wymienników jest zastosowanie odpowiednich uszczelnień, które minimalizują straty ciepła wynikające z niekontrolowanego przepływu medium pomiędzy przestrzeniami oddzielonymi przegrodą wzdłużną (30) wymiennika.

Konstrukcja i funkcjonalność uszczelnień przegrody wzdłużnej

Uszczelnienia stosowane w wymiennikach płaszczowo - rurowych pełnią istotną rolę w eliminacji strat ciepła. Największe wyzwania w zakresie szczelności dotyczą uszczelnień:

• den sitowych,
• króćców i kołnierzy,
• przegrody wzdłużnej.

Szczególnie krytycznym punktem jest uszczelnienie przegrody wzdłużnej, z uwagi na brak pełnego styku krawędzi przegrody a cylindrycznym płaszczem. W miejscu  tym może następować swobodny przepływ medium, co prowadzi do strat energetycznych i obniżenia efektywności wymiany ciepła. Problem ten rozwiązuje zastosowanie specjalnych uszczelnień typu Baffle Seal lub Lamiflex.

• Lamiflex – uszczelnienie jednostronne, składające się z zestawu sprężystych piór zamontowanych mechanicznie do przegrody za pomocą otworów montażowych.
• Baffle Seal – uszczelnienie dwustronne, składające się z dwóch zestawów piór, połączonych kasetą metalową, co zapewnia ich precyzyjne dopasowanie do geometrii przegrody i płaszcza wymiennika.

Obydwa typy uszczelnień wykonywane są z materiałów odpornych na temperaturę, ciśnienie oraz agresywne właściwości medium, nośnika ciepła co zapewnia ich długą trwałość i niezawodność eksploatacyjną.

Analiza wpływu uszczelnienia przegrody wzdłużnej na efektywność wymiany ciepła

Zgodnie ze standardami TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association), decyzja o zastosowaniu uszczelnienia przegrody wzdłużnej podejmowana jest na etapie projektowania urządzenia. Przeprowadziliśmy symulacje numeryczne przepływu medium w wymienniku w konfiguracji z i bez uszczelnienia przegrody. Wyniki analizy wykazały istotne różnice:

• obecność uszczelnienia przegrody wzdłużnej prowadzi do ograniczenia swobodnego przepływu medium między sekcjami wymiennika rozdzielonych przegrodą wzdłużną,
• zastosowanie odpowiedniego typu uszczelnienia powoduje wzrost efektywności wymiany ciepła poprzez lepsze wykorzystanie drogi i powierzchni wymiany,
• brak uszczelnienia generuje wzrost strat energii i zmniejszenie sprawności termicznej urządzenia. Dzieje się to poprzez niezamierzony przepływ medium pomiędzy stroną górną i dolną płaszcza z pominięciem zaprojektowanej drogi umożliwiającej efektywną wymianę ciepła,

Z przeprowadzonych wg przepisów TEMA obliczeń wynika, przepływ między obszarami rozdzielonymi przegrodą jest o rząd wielkości mniejszy przy zastosowaniu uszczelnień  Baffle Seal lub Lamiflex. Podnosi to znacząco sprawność wymiennika.

Zalety uszczelnień Baffle Seal lub Lamiflex:

• zastosowanie znacząco zwiększa sprawność wymiennika,
• możliwe różne wykonania materiałowe uwzględniające wpływ temperatury i agresywność medium,
• łatwość montażu,
• łatwość transportu (długie uszczelki mogą być przycięte na dowolny wymiar i złożone na miejscu).

Podsumowanie

Wymienniki płaszczowo - rurowe stanowią kluczowe komponenty systemów wymiany ciepła w różnych gałęziach przemysłu. Optymalizacja ich konstrukcji poprzez zastosowanie odpowiednich uszczelnień pozwala na zwiększenie ich sprawności i redukcję strat energii. Analizy numeryczne oraz posiadane doświadczenia potwierdzają, że wybór właściwego systemu uszczelnień, w tym uszczelnienia przegrody wzdłużnej, ma istotny wpływ na końcową wydajność urządzenia. Właściwy dobór i implementacja tych rozwiązań jest zatem kluczowym elementem projektowania nowoczesnych, energooszczędnych systemów wymiany ciepła.