Výměníky tepla

Co to jsou a k čemu slouží výměníky tepla

Výměníky tepla se využívají pro předávání tepla všude tam, kde není možné předávat teplo přímo ze zdroje do spotřebiče. Typickými příklady jsou odlišné teplonosné látky (nemrznoucí kapalina - voda, otopná voda - teplá voda, centrální zásobování teplem - topná voda v objektu, apod.) nebo odlišné tlakové poměry v jednotlivých okruzích (centrální zásobování teplem až 20 bar - otopná soustava max. 3 bary). 

Použití výměníků tepla

Jelikož v žádném tepelném výměníku nelze dosáhnout 100% termické účinnosti - existuje vždy větší či menší teplotní rozdíl mezi vstupní topnou kapalinou a výstupní ohřívanou kapalinou. Návrh tepelného výměníku je v každém systému velice důležitý a většinou na něm závisí funkčnost a účinnost celého systému.

Typický příklad takovéto závislosti je například solární systém nebo tepelné čerpadlo. Pokud se do otopného systému s těmito úspornými zdroji instaluje tepelný výměník, který není dostatečně velký, nestačí energii předávat, do zdrojů se pak vrací vyšší teplota kapaliny a nutí je pracovat při vyšší teplotě než by mohly. To má samozřejmě přímý vliv na jejich účinnost - u solárního systému se sníží zisky vlivem nižší účinnosti kolektorů a u tepelného čerpadla poklesne topný faktor.

Parametry a návrh systémů s výměníkem tepla

Nejdůležitějším parametrem každého tepelného výměníku je bezpochyby předávací výkon. Ten se však mění s mnoha faktory, zejména s teplotním rozdílem mezi topnou a ohřívanou stranou výměníku (označováno jako teplotní spád výměníku, nebo střední teplotní rozdíl výměníku), průtokem v topné i ohřívané straně výměníku a s typem protékající kapaliny.

Nelze proto jednoznačné udávat výkony tepelných výměníků bez upřesnění provozních podmínek, ve kterých budou pracovat. Obecně platí, že čím vyšší je teplotní rozdíl mezi topnou a ohřívanou stranou a čím jsou vyšší průtoky na obou stranách výměníku, tím je vyšší i předávací výkon výměníku.

Tepelné výměníky se vždy navrhují pro konkrétní aplikace a podmínky provozu. Pro aplikaci výměníků se solárním systémem, tepelným čerpadlem nebo kondenzačním kotlem je nutné navrhnout tepelný výměník pro nízký teplotní spád neboli nízký rozdíl mezi topnou a ohřívanou stranou.

Vyšší teplotní spád znamená vyšší pracovní teplotu solárního systému nebo tepelného čerpadla, jeho horší účinnost, resp. topný faktor. Čím je navržený teplotní spád tepelného výměníku vyšší, tím je potřebná velikost výměníku nižší a tedy i investice do výměníku bude nižší. Proto u systémů nebo zdrojů, u kterých se nekladou vysoké nároky na co nejnižší teplotu zdroje, postačují výměníky, které jsou menší a levnější. Typickým příkladem jsou například systémy s běžným plynovým kotlem, elektrokotlem nebo s kotlem na tuhá paliva, protože při vyšší pracovní teplotě těchto zdrojů neklesá jejich účinnost.

Typy tepelných výměníků

Existují dva základní typy tepelných výměníků, které se liší svou konstrukcí, základními parametry a použitím - trubkové tepelné výměníky a deskové tepelné výměníky.

Trubkové tepelné výměníky

Trubkové tepelné výměníky jsou jednoduchá zařízení sestávající se z jedné nebo více stočených trubek, kde přestupní plochu tvoří vnější plášť této trubky. Typickým příkladem těchto výměníků jsou integrované tepelné výměníky v zásobnících teplé vody nebo v akumulačních nádržích. Tyto výměníky jsou jednoduché, mají malou tlakovou ztrátu (jedná se pouze trubku) a jsou levné.

Bohužel mají nízký přestupní koeficient, což znamená, že pro předání i relativně malého výkonu potřebují velkou přestupní plochu. Proto se tyto výměníky používají v systémech, které pracují maximálně v řádech několika desítek kilowat a zároveň není požadavek na malý teplotní rozdíl mezi topnou a ohřívanou kapalinou. Jejich použití je tak omezeno na relativně malé solární systémy (1 kolektor potřebuje pro optimální provoz cca 0,5 m2 trubkového výměníku), tepelná čerpadla s výkony do cca 10 kW a na vysokoteplotní zdroje.

Deskové tepelné výměníky

Deskové tepelné výměníky mají přestupní koeficient až 10x vyšší než trubkové výměníky a předávací výkon těchto výměníků může být až v řádech stovek kilowatů. Deskové tepelné výměníky nelze použít jako integrované, z čehož plyne i jejich nevýhoda - je nutné použít oběhové čerpadlo jak na topnou stranu, tak i na ohřívanou. U integrovaných trubkových výměníků je oběhové čerpadlo obvykle potřeba pouze jedno. Investiční náklady jsou tedy u varianty deskového výměníku obvykle vyšší, a jsou vyšší i provozní náklady, neboť je třeba počítat s téměř dvojnásobným elektrickým příkonem na pohon oběhových čerpadel.

Obrovskou výhodou těchto výměníků je velká variabilnost ve velikostech a typech provedení, možnost navrhnout výměník i na extrémně malý teplotní spád (maximální zisk solárního systému) a předání velkého topného výkonu (průtočná příprava teplé vody, CZT, velkoplošný solární systém, apod.).
CZT = Centrální Zásobování Teplem. Rozvod tepla pro vytápění a přípravu teplé vody například z městské teplárny, spalovny nebo okrskové kotelny do jednotlivých panelových domů a objektů.