TZ 4 Tepeln zazen Vmnky tepla klasifikace Konstrukn

TZ 4 Tepelná zařízení Výměníky tepla - klasifikace. Konstrukční řešení ST a deskových výměníků tepla. Kriteria volby uspořádání výměníků. Rudolf Žitný, Ústav procesní a zpracovatelské techniky ČVUT FS 2010

TZ 4 Základní kategorie výměníků Výměníky tepla Rekuperační Regenerační Rotující buben Stěna odděluje proudy Přímý kontakt

Kompaktnost TZ 4 10 60 Hydraulický průměr, mm 1 0. 1 plíce Speciální Chladič auta Deskožebrový Deskový Shell-&-tube 1000 m 2/m 3 10 000

TZ 4 Trubkové výměníky ØDvoutrubkové ØKotlové (shell & tube) ØVzduchové Otto Dicks

TZ 4 Dvoutrubkový výměník Ø 300 bar plášť, 1400 bar trubka Ø -100 až 600 o. C Ø Pro jakákoliv media Ø Maximální efektivita = 0. 9 Ø Minimální T = 5 K Ø 0. 25 až 200 m 2 Efektivita je poměr výkonu daného výměníku k výměníku, který by měl nekonečně velkou teplosměnnou plochu a ideální uspořádání toku

TZ 4 Dvoutrubkový výměník Ø Výhody – – Protiproud Vysoké tlaky Modularita Snadná údržba Ø Nevýhody – Drahý pro velké výkony (nad 1 MW)

TZ 4 Shell & Tube Salvatore Dali

TZ 4 Shell & Tube České názvosloví je v normě ČSN EN 247 (690006) Ø 300 bar plášť, 1400 bar trubka Ø -100 až 600 o. C Ø Pro jakákoliv media Ø Maximální efektivita = 0. 9 Ø Minimální T = 5 K Ø 10 až 1000 m 2

Shell & Tube TZ 4 Ø Výhody – – – Přizpůsobivost, robustnost Snadná údržba, opravitelnost Čištění Nejrozšířenější (85% v EU chem. ) Standardizace TEMA (konstrukce, výpočty, materiály, …) Ø Nevýhody – Velká zastavěná plocha (výměna svazku) – Deskový může být levnější pod 16 bar a pod 200 o. C

TZ 4 Shell & Tube - tok v plášti Příčné obtékání svazku Segmentové přepážky Axiální obtékání svazku Tyčové přepážky Phillips Petroleum Výhody: potlačení vibrací trubek, nízký fouling, nízká tlaková ztráta ) Šroubovicové přepážky ABB Lummus Zkroucené trubky BRNO Hlavačka

TZ 4 Shell & Tube - přepážky Porovnání geometrií přepážek Zkroucené trubky ano dobré / p vysoké plášť ne nízký fouling ano snadné ano čištění Intenzifikace ano v trubkách Může dát ano vysoké Nízké ano vibrace © Hyprotech 2002 Segmentové Šroubovicové Tyčové přepážky ne ano ne ne ano čtvercové ano uspořádání S vložkami ne Speciální návrh ne S dvojitou šroubovicí ano

TZ 4 Shell & Tube – svazek trubek Uspořádání trubek Trojúhelníkové 30 o Pootočené trojúhelníkové 60 o • • Rozteč (pitch) Čtvercové 90 o Pootočený čtverec 45 o Trojúhelníkové uspořádání = více trubek Čtvercové uspořádání = více prostoru pro čištění

TZ 4 Shell & Tube TEMA standard • TEMA 8 -vydání 1998, asi 300 $ a 3000 $ software • Tlakové nádoby dle ASME VIII, BS 5500. EN 13 445 harmonizační norma pro tlakové nádoby • Konstrukční detaily, rozměry, tolerance, terminologie • Tepelný výpočet (Bell Delaware), vibrace, fouling

TZ 4 Shell & Tube TEMA značení TEMA terminologie Přední hlava stacionární Shell plášť Zadní hlava • 3 písmena označují Přední hlavu, Plášť a Zadní hlavu • To nahoře je výměník AEL © Hyprotech 2002

TZ 4 Shell & Tube TEMA (PH) Přední hlava • A-Typ standard pro špinící se trubky • B-Typ standard pro čisté trubky (bez foulingu). Levné a jednoduché. A B Většinou je lepší volba B, pokud ale požadujeme častější čištění trubek je lepší A (nemusí se pak demontovat potrubí u hrdel hlavy). Odnímatelné víko © Hyprotech 2002 Klenuté víko=bonnet (integrální hlava)

TZ 4 Shell & Tube TEMA (PH) Další varianty přední hlavy • C-typ s odnímatelným pláštěm pro nebezpečné tekutiny v trubkách nebo když je požadováno časté čištění v mezitrubkovém prostoru • N-typ nebezpečné tekutiny v plášti • D-Typ nebo přivařená trubkovnice pro vysoké tlaky (nad 150 bar) C © Hyprotech 2002 N D

TZ 4 Shell & Tube TEMA (Shell) Základní varianty pláště • E- tento typ použij, když to jen jde • F- protiproudý tok se dvěma tahy v plášti i trubkách (výměník nemusí být tak dlouhý) E F Jeden - tah v plášti Podélná přepážka Dva -tahy v plášti Poznámka: problémy s těsněním podélné přepážky zvláště po výměně pláště při údržbě © Hyprotech 2002 Někteří výrobci používají speciální těsnění a pak je F přijatelná varianta

TZ 4 Shell & Tube TEMA (Shell) Další varianty pláště • G a H používány pouze pro termosyfonové reboilery • J a X se používá, když nelze splnit specifikace na tlakové ztráty (náhrada provedení E) G, H pro reboilery (var na trubkách) používá perforované přepážky (lze tím docílit rovnoměrnější průtok) G H podélné přepážky J Používají se příčné přepážky stejně jako u E X Používá se několik hrdel na vstupu i výstupu Křížový tok © Hyprotech 2002

TZ 4 Shell & Tube TEMA (ZH) Pevná zadní hlava L Pevná trubkovnice • L je zrcadlové provedení hlavy A • M je zrcadlové provedení hlavy B (klenuté víko) • N je zrcadlové provedení přední hlavy N © Hyprotech 2002

TZ 4 Shell & Tube TEMA (ZH) Plovoucí hlavy a U trubky Umožňují vyjmutí svazku trubek a mechanické číštění v mezitrubkovém prostoru • U trubky jsou jednoduché, ale těžko čistitelné Existují ale speciální čističe © Hyprotech 2002

TZ 4 Shell & Tube TEMA (ZH) Nevýhodou je široká štěrbina Plovoucí hlavy T Prostrkávací plovoucí hlava Velká mezera mezi svazkem a pláštěm S Podobné variantě T ale s menší štěrbinou u svazku trubek Dělený prstenec Dělená příruba je nutná pro demontáž a vytažení svazku © Hyprotech 2002

TZ 4 Shell & Tube TEMA (ZH) Další varianty plovoucí hlavy • Nejsou příliš časté a jen u malých výměníků P Vnější utěsnění umožní zmenšit mezeru svazek-plášť © Hyprotech 2002 W Trubkovnice těsněná zvenčí Maximum 2 tahy v trubkách

TZ 4 Shell & Tube souhrn variant A L(=A) E 1 tah M(=B) N F 2 tahy B T G C S H N D P J X W

TZ 4 Shell & Tube dilatace Problém teplotních dilatací je třeba řešit při rozdílech teplot horkého a chladného proudu větších než cca 200 C. Kromě výše uvedených variant s plovoucí hlavou nebo U-trubek se u menších průměrů pláště používají vlnovcové kompenzátory Funguje to jako kloub Vlnovec na trubkovnici (E-plášť) Pro extrémně velké rozdíly teplot pak např. Fieldův výměník (bajonet)

TZ 4 Shell & Tube – typ ? Odhadni třípísmenové označení výměníku BJM M je nejisté

TZ 4 Shell & Tube – volba medií Ø Špinavý proud do trubek Ø Vysoký tlak do trubek Ø Korozní medium do trubek Ø Nižší součinitel přestupu tepla do pláště (plyny)

TZ 4 Shell & Tube – volba medií ? Jaké medium do pláště? Kondenzátor Jaké typy hlav? Tekutina Korozní Tlak(bar) Tepl. Vstup/výstup (0 C) Podíl. páryvstup/výstup Fouling (m 2 K/W) Vodu (fouling je lépe nechat v trubkách=dají se čistit). A kondenzace bývá vhodnější v plášti. A (kvůli snadnému čištění trubek), M (lze použít pevnou hlavu, protože ΔT je malé) Horká strana Chladná strana Lehký uhlovodík Ne 4. 9 46 / 42 1/0 0. 00009 Chladicí voda Ne 5. 0 20 / 30 0/0 0. 00018

TZ 4 Shell & Tube – volba medií ? Jaké medium do trubek? Ropu (fouling je lépe nechat v trubkách). Ale třeba i páru, protože má vysoký tlak. Jaké typy hlav? Ohřívač zásobníku surové ropy AES (plovoucí hlava kvůli vysokému ΔT). Kdyby byla pára v trubkách, přicházelo by v úvahu BEU Chladná strana Tekutina Koroze Tlak (bar) Tepl. Vstup/výstup (0 C) Podíl. páry Vstup/výstup Fouling (m 2 K/W) Surová ropa Ne 2. 0 10 / 75 0/0 0. 0005 Teplá strana pára Ne 10 180 / 180 1/0 0. 0001

TZ 4 Shell & Tube - vibrace Vibrace indukované tokem media • Resonance při shodě vlastních frekvencí trubek s budící Indukované kmity frekvencí vírů vznikají • Elastická nestabilita stlačitelného media periodickým Tube displacement Resonance - Velocity © Hyprotech 2002 Instability Velocity odtrháváním vírů v úplavu (Karmánova vírová stezka)

TZ 4 Shell & Tube - vibrace Potlačení vibrací • Podpůrné přepážky Jen na prvních řadách trubek u vstupního hrdla • Dvojité segmentové přepážky Sníží příčnou složku rychlosti ale i přenos tepla • Patentované podpěry trubek • Neumisťovat žádné trubky do okna výseče přepážek (tam není žádná podpora trubek) • J-konfigurace pláště. Sníží rychlost media na polovinu ve srovnání s provedením pláště E, ale sníží i přenos tepla © Hyprotech 2002

TZ 4 Shell & Tube – intenzifikace Intenzifikace - přenosu tepla v plášti • Nízká integrální žebra trubek – 11 až 40 fpi (žeber na palec). Výhodné zejména pro kondenzaci – Výška žeber 0. 8 až 1. 5 mm • Při jednofázovém proudění se uplatní jen zvýšená teplosměnná plocha (50 až 250% navíc) • Speciální povrchy pro var a kondenzaci © Hyprotech 2002

TZ 4 Shell & Tube – intenzifikace Nízkožebrované trubky • Hladké konce pro vložení do trubkovnice a hladké části pro přepážky • Materály nerez, titan, inconel © Hyprotech 2002

TZ 4 Shell & Tube – intenzifikace Intenzifikace přenosu tepla v trubkách - vložky Drátěná spirála a zkroucený pásek • Zvýší součinitel přenosu tepla ale za cenu zvýšení tlakové ztráty • Za jistých okolností mohou výrazně snížit fouling Někdy ho ale mohou i zhoršit. • Možný retrofit © Hyprotech 2002 Twisted tape

TZ 4 Shell & Tube – intenzifikace Statické směšovače Kenics (Chemineer)

TZ 4 Shell & Tube – intenzifikace Drátěnka (Hi. TRAN) • Dvojí efekt: radiální mísení a narušení mezní vrstvy • Hustota drátků závisí na konkrétní aplikaci © Hyprotech 2002

TZ 4 Vzduchové výměníky Ø Až 500 bar Ø 600 o. C, Ø 5 až 350 m 2 Ø Výhody teploty vzuchu -50 až 540 C plocha trubek Hlavy výměníků typu A, B jako u shell & tube – – Vzduch je vždy k dispozici I při výpadku motorů fungují Údržba levnější než u vody Fouling lze zanedbat Ø Nevýhody – Nelze chladit na nízké teploty jako u chladicích věží – Hlučnost (ventilátory, omezení rychlosti konců lopatek) – Závisí na počasí (speciální úpravy pro zimu, Vzduchové výměníky se stále rozšiřují, zajišťují například více než polovinu tepelného výkonu v petrochemii (dle údajů HEDH). především recirkulace až 50% vzduchu, dodatečný ohřev parou nebo elektricky)

TZ 4 • • Vzduchové výměníky Nucený tah Indukovaný tah Ventilátor dole Ventilátor nahoře Žebrované trubky u 85% vzduchových výměníků se používají trubky s vnitřním průměrem 25 mm (1“) a výškou žebra 16 mm. Hustota žebrování je velmi vysoká, typicky 400 žeber na metr. Žebrování zvyšuje teplosměnnou plochu cca 20 krát. Žebra jsou většinou hliníková navíjená nebo navlékaná (kontakt se docílí plastickým nafouknutím trubek). Většinou se používají 4 až 6 ti lopatkové ventilátory o průměru 2 až 5 metrů. Někdy s proměnnou rychlostí (max. rychlost konce listů 60 m/s) nebo natočením listů – to je kvůli regulaci (průtok vzduchu se reguluje i nastavitelnými žaluziemi). Pro menší výměníky a vyšší tlakové ztráty se používají i odstředivá dmychadla.

TZ 4 Vzduchové výměníky Obvykle 2 ventilátory na 1 vanu Obvykle 3 až 6 řad u žebrovaných a až 20 řad u nežebrovaných trubek

TZ 4 Deskové výměníky ØDeskové v rámu ØDeskožebrové ØSpirálové Základní rozdíl mezi trubkovými a deskovými výměníky je v tom, že trubka snese vysoký přetlak, zatímco deska ne. Lawrence

TZ 4 Deskové výměníky Ø 20 bar těsněné, 30 pájené, 40 bar svařované Ø Max 140 -170 o. C plast, 220 o. C grafit, 3000 svar Ø Pro kapaliny Ø Maximální efektivita = 0. 9 až 0. 95 Ø Minimální T < 5 K Ø 100 až 1000 m 2

Deskové výměníky TZ 4 Ø Výhody – – – Cena Vysoký souč. přenosu tepla (zvlnění desek) Kompaktnost (malý hydraulický průměr kanálků) Modularita (do rámu lze přidávat další desky, měnit počet tahů) Snadná údržba, rozebíratelnost Nízký fouling (jenomže riziko zacpání u vláknitých suspenzí) Ø Nevýhody – Riziko netěsnosti – Odolnost těsnění – Omezený rozsah teplot a tlaků

TZ 4 Deskové výměníky Typy desek • • Desky v rámu Desky jsou zvlněné - dotýkají se v místech kontaktu Desky z nerezu, titanu, hasteloy, . . Těsnění pryž, neopren, viton, hypalon Šípové Valcha

TZ 4 Deskové výměníky Orientace toku je určena tvarem těsnění Střídání desek (obvykle stačí převrácení)

TZ 4 Deskové výměníky

TZ 4 Deskožebrové výměníky Ø Až 90 bar Ø -200 až 150 o. C Al, až 600 o. C nerez Ø Nízké T až 0. 1 o. C Ø Maximální T 50 o. C Ø Vysoká efektivita =0. 98 Technologie výroby • Spájené rovné desky a prokládané zvlněné desky (žebra) ve vakuové peci

Deskožebrové výměníky TZ 4 Ø Výhody – – Kompaktní až 1800 m 2/m 3 Vysoké přestupy tepla Vhodné pro kryogeniku Velký počet proudů Ø Nevýhody – nečistitelné – neopravitelné – Jen čisté tekutiny Běžné je použití 7 i více proudů

TZ 4 Deskožebrové výměníky ALPEMA THE STANDARDS OF THE BRAZED ALUMINIUM PLATE-FIN HEAT EXCHANGER MANUFACTURERS' ASSOCIATION ALPEMA je podobný standard jako TEMA u shell & tube výměníků

TZ 4 Deskožebrové výměníky

TZ 4 Spirálové výměníky Výhody a nevýhody jsou podobné jako u deskových výměníků. Spirálový tok ale indukuje odstředivé síly a sekundární toky, které potlačují fouling. Spirálové výměníky jsou výhodné pro látky s hrubými částicemi výměníky jsou spíše pro relativně čisté kapaliny, zatímco spirálové pro hrubší suspenze). (deskové

TZ 4 Spirálové výměníky Zobrazený spirálový výměník Alfa Laval dosahuje při ohřevu ovocné šťávy horkou vodou (tj. kapalina - kapalina) součinitel přenosu tepla k=1200 až 1800 Wm-2 K-1. Maximální přetlak je u tohoto výměníku 1, 5 MPa a maximální teplota 4000 C. Varianta s protiproudým uspořádáním toku. Existují i provedení s křížovým tokem (třeba kondenzátory)

TZ 4 A některé další… Hockney

TZ 4 Výměníky se stíranou plochou Často se nazývají votátory. Jsou vhodné pro velmi viskozní (pastovité) eventuálně termolabilní kapaliny. Farmaceutický a potravinářský průmysl (třeba zmrzlinářské stroje). Výměník tepla Alfa Laval – typ CONTHERM

TZ 4 Tepelné trubice Velmi vysoké hustoty toku, protože pro přenos tepla se využívá skupenské teplo. Je to poměrně nový princip, poprvé patentovaný až 1942. Kapalina vzlínající porezní vložkou vlivem kapilárních sil condensation evaporation Porézní vložka funguje jako knot. Obvykle je to metalická síťka, pěna nebo sintrovaná keramika.

TZ 4 Výměníky regenerační Google-strojový překlad: Papír má za naléhavý problém snížit měrnou spotřebu paliva v malé motory s plynovou turbínou-letectví pracující v cestovní energie v režimu za použití výfukových plynů regenerační výměníky tepla. Regenerační výměníky jsou buď statické alebo rotační. Statické regenerační výměníky jsou tvořené jedním nebo více absorbéry tepla (s porézním ložem kuliček, pelet, kovových fólií alebo síťoviny, keramickou matricí), kterými střídavě protéká chladné a teplé médium (plyn). Doba přepínání sekcí je daná dobou průchodu tepelné vlny od vstupu do výstupu absorbéru (doba průrazu). Rychlost šíření teplotní vlny kde MG je hmotnostní průtok plynu, cp. G měrná tepelná kapacita plynu, resp. materiálu výplně, a m. S je hmotnost výplně vztažená na metr délky absorbéru.

TZ 4 Výměníky regenerační Popis produktu: Používají se především jako součást sestavy do jednotek pro přívod a odvod větracího vzduchu. Rotační regenerační výměníky tepla od Ø 500 mm do Ø 4020 mm, v šířce 200 a 250 mm, s výškou vlny 1, 6 mm, 1, 9 mm a 2, 3 mm, v provedení dle funkce: s přenosem tepla, s přenosem vlhkosti a s epoxidovou vrstvou; do prostředí vnitřního normálního, venkovního nebo vnitřního normálního s motorem do zóny 1, 2. Akumulační hmota rotoru výměníku je tvořena válcem, který má množství malých kanálků, vytvořených navíjením rovné a zvlněné fólie ze slitiny hliníku.

TZ 4 Směšovací výměníky Protiproudý směšovací kondenzátor Souproudý směšovací kondenzátor s nízkou hladinou Chladicí věže • • Velký plášť s výplní vespod, na kterou je rozstřikována voda Kombinace konvektivního a odpařovacího chlazení Proud vzduchu buď přirozenou konvekcí nebo ventilátory Je třeba doplňovat ztráty vody

TZ 4 Míchané nádoby • Batch dávkový ohřev a chlazení • Míchadlo a narážky • Duplikátorový plášť • Vakuové chlazení

TZ 4 Podíl výměníků v Evropě

TZ 4 Trendy a vývoj • Miniaturiazace (vše teče laminárně) • Úpravy povrchů (kondenzace, var) Bacon

TZ 4 HEATRIC Tištěné spoje • Vyleptané kanály v deskách • Difuzní pájení za vysokého tlaku a teploty

TZ 4 HEATRIC Tištěné spoje

TZ 4 MIKROVÝMĚNÍKY tepla

TZ 4 MIKROVÝMĚNÍKY tepla

TZ 4 MIKROVÝMĚNÍKY tepla

TZ 4 MIKROVÝMĚNÍKY tepla

TZ 4 MIKROVÝMĚNÍKY tepla

TZ 4 MIKROVÝMĚNÍKY tepla To je „normální“ trubka

TZ 4 MODIFIKOVANÉ POVRCHY

TZ 4 MODIFIKOVANÉ POVRCHY