thumb|Wymiennik ciepła Wymiennik ciepła – urządzenie, którego główną funkcją jest wymiana ciepła pomiędzy dwoma (lub więcej) płynami. Jest to ogólny termin odnoszący się do szerokiej grupy urządzeń różniących się przeznaczeniem, budową i sposobem realizacji przepływu ciepła.

Chociaż termin ten kojarzony jest przede wszystkim z przemysłem, wymienniki ciepła są układami powszechnie spotykanymi również w życiu codziennym. Przykładem może być chłodnica samochodowa, podgrzewacz wody lub grzejnik.

Podział Wymienniki ciepła są bardzo szeroką grupą urządzeń, które, w zależności od przeznaczenia, mogą różnić się między sobą wielkością i rodzajem budowy. Wiedza dotycząca wymienników ciepła obejmuje wiele różnych dziedzin (np. termodynamika, mechanika, metalurgia). Konieczne jest więc jej usystematyzowanie. Istnieje wiele podziałów opartych na różnych aspektach działania lub budowy wymienników.

Podział ze względu na sposób przepływu ciepła Ze względu na sposób przepływu ciepła wymienniki można podzielić na dwie główne grupy – wymienniki kontaktowe (w których dochodzi do kontaktu płynów) oraz bezkontaktowe (w których płyny nie mają ze sobą kontaktu).

Wymienniki bezkontaktowe można podzielić na rekuperatory (wymienniki przeponowe, z bezpośrednią wymianą ciepła), regeneratory (z pośrednią wymianą ciepła) oraz złoża fluidyzacyjne.

W rekuperatorach płyny oddzielone są ścianką (przeponą), w poprzek której zachodzi wymiana ciepła. Jeżeli w wymienniku takim nie zachodzi dodatkowa generacja ciepła są to rekuperatory proste. Istnieją również rekuperatory, w których po jednej ze stron dodatkowo wytwarzane jest ciepło (np. na drodze reakcji spalania lub reakcji jądrowej). Wymienniki takie nazywają się rekuperatorami z wytwarzaniem ciepła. Przykładem takich wymienników są np. reformery lub kotły płomienicowe. Rekuperatory proste są najczęściej spotykaną odmianą wymienników w przemyśle. Należą do nich np. wymienniki płaszczowo-rurowe lub wymienniki płytowe.

W regeneratorach płyny naprzemiennie przepływają tą samą drogą. Wymiana ciepła jest możliwa dzięki magazynowaniu ciepła w złożu porowatym, przez które przepływają płyny. Proces taki nie jest ciągły, ale składa się z fazy ciepłej (w której ciepło jest oddawane przez płyn ciepły) oraz fazy zimnej (w której ciepło jest oddawane do płyny zimnego). Ze względu na nieciągłość procesu oraz ograniczenia konstrukcyjne wymienniki te są rzadziej spotykane w przemyśle.

W złożach fluidyzacyjnych zachodzą procesy, które są kombinacją procesów zachodzących w rekuperatorach i regeneratorach. Złoże takie składa się ze zbiornika wypełnionego cząsteczkami ciała stałego. Na dnie zbiornika znajduje się wlot gazu, który przepływa przez zbiornik i opuszcza go na górze. Po osiągnięciu odpowiedniej prędkości przepływu gaz zaczyna unosić cząsteczki ciała stałego do góry. Cząsteczki unoszą się w zbiorniku zachowując się jak ciecz. Zbiorniki mogą być dodatkowo wyposażone w wężownicę lub płaszcz chłodzący. Ruch ciepła w takich aparatach odbywa się od cząsteczek ciała stałego (jak w regeneratorach) do gazu, a następnie poprzez ściankę płaszcza lub wężownicy (jak w rekuperatorach). Złoża fluidyzacyjne stosuje się np. w procesie zgazowania węgla, wytwarzania węgla aktywnego, suszenia, prażenia rud, krakowania i syntezy benzyny.

Wymienniki kontaktowe można podzielić na wymienniki: układ cieczy niemieszających się, w którym dochodzi do kontaktu dwóch niemieszających się cieczy. Przykładem procesów wykorzystujących ten układ wymiany ciepła może być skraplanie związków organicznych lub oparów oleju. typu gaz-ciecz, w których ciepło wymieniane jest pomiędzy cieczą (najczęściej wodą) oraz gazem. Ten rodzaj wymienników stosuje się w procesach chłodzenia cieczy oraz nawilżania gazu. Najczęściej spotykanym przykładem są wieże chłodnicze, w których woda ścieka drobnymi kroplami ochładzając się kosztem powietrza znajdującego się w wieży. typu ciecz-para, których dochodzi do wymiany ciepła pomiędzy płynami a ich parą. Ten rodzaj wymienników często stosuje się do ogrzewania wody poprzez bezpośredni wtrysk pary (np. w odpowietrzaczach) lub chłodzenia pary przez bezpośredni wtrysk wody.

W wymiennikach kontaktowych płyny wchodzą w bezpośredni kontakt między sobą. Pomimo dużych ograniczeń, takie rozwiązanie posiada też pewne zalety – pozwala na uzyskanie bardzo dużych współczynników przewodzenia ciepła, jest stosunkowo tanie, nie ma problemu wytrącania się osadu na powierzchni wymiany ciepła. W dodatku wymiana ciepła pomiędzy kilkoma strumieniami jest stosunkowo prosta do zrealizowania.

Podział ze względu na układ strumieni thumb|300px|Rozkład temperatur w wymienniku współprądowym thumb|300px|Rozkład temperatur w wymienniku przeciwprądowym Ze względu na układ strumieni wymienniki można podzielić na współprądowe, przeciwprądowe, o przepływie krzyżowym oraz złożone.

W układzie współprądowym wymiana ciepła zachodzi pomiędzy dwoma strumieniami biegnącymi w tym samym kierunku. Z punktu widzenia wymiany ciepła jest to najmniej wydajny układ. Charakteryzuje się stosunkowo niską średnią różnicą temperatur (która jest siłą napędową procesu). Skutkiem tego jest większa powierzchnia wymiany ciepła konieczna do realizacji procesu, a co za tym idzie, większy i droższy wymiennik. Wymiennik ten jest korzystny ze względu na rozkład naprężeń cieplnych. Ponieważ gorący i zimny strumień wpływają do wymiennika z tej samej strony średnia temperatura ścianki w wymienniku jest bardziej jednorodna na całej długości. Skutkiem tego są mniejsze naprężenia termiczne.

Bardziej efektywny jest układ przeciwprądowy. Dodatkową zaletą tego układu jest możliwość podgrzania lub ochłodzenia strumienia do temperatury zbliżonej temperaturze wlotowej drugiego strumienia. Na etapie podgrzewania czynnika temperatura wylotowa czynnika ogrzewanego jest wyższa (w ciągu całego procesu) od temperatury wylotowej czynnika grzewczego, co stanowi szczególną przewagę nad wymiennikiem współprądowym, gdzie tego efektu nie można osiągnąć na żadnym etapie procesu wymiany ciepła. Wadą jest możliwość pojawienia się dużych naprężeń cieplnych.

W układzie krzyżowym oba strumienie przepływają względem siebie pod kątem prostym. Chociaż czysty układ krzyżowy jest rzadko spotykanym rozwiązaniem, często spotyka się go w przypadku wymienników płaszczowo-rurowych jako składowa przepływu. Przegrody stosowane powszechnie w celu zwiększenia dynamiki przepływu płynu w przestrzeni płaszczowej, dzielą ją na szereg segmentów o przepływie krzyżowym.

Układy złożone (np. wymienniki z płaszczem o przepływie dzielonym lub rozbieżnym) są kombinacją powyższych układów. Większość wymienników spotykanych w przemyśle ma charakter złożony.

Rekuperatory – przykłady thumb|Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła thumb|Wymiennik ciepła typu rura w rurze

thumb|wymiennik spiralny

Wymiennik płaszczowo-rurowy

Wymienniki płaszczowo-rurowe są jednym z najczęściej spotykanych typów wymienników w przemyśle. Uniwersalność tego wymiennika wynika m.in. z: różnorodności możliwych układów (różna ilość biegów, przeciwprąd, współprąd itd.), możliwość użycia elementów standardowych (rury, kołnierze, uszczelki itd.), stosunkowej prostota obliczeń i dużej dostępności do odpowiedniego oprogramowania, możliwości zastosowania w bardzo dużym zakresie ciśnień i temperatur, szerokiej gamy możliwych materiałów konstrukcyjnych.

Zbudowane są z cylindrycznego płaszcza, w którym biegną wiązki rurek. Jeden z płynów przepływa w przestrzeni płaszczowej, a drugi wewnątrz rurek. Wymiana ciepła zachodzi w poprzek ścian rurek.

Szczególnym przypadkiem jest wymiennik typu rura w rurze. Jego zaletą jest duża prostota. Jego główną wadą jest mała wydajność (powierzchnia wymiany ciepła jest mniejsza niż powierzchnia płaszcza, co generuje duże straty ciepła do otoczenia).

Wymiennik płytowy Ogólny schemat budowy tego typu wymiennika jest zawsze podobny – składa się on z rzędu płyt, pomiędzy którymi przepływają płyny wymieniając ciepło pomiędzy sobą. Nie jest on tak uniwersalny, jak wymiennik płaszczowo-rurowy. Wynika to m.in. z: złożonej budowy utrudniającej obliczenia i konstrukcję, stosunkowo dużego spadku ciśnienia, możliwości zastosowania w ograniczonym zakresie ciśnień, możliwość wystąpienia nieszczelności, skutkiem której jest emisja płynów do atmosfery, ograniczona liczba materiałów (wynikająca z konieczności formowania płyt).

Zaletą takiego rozwiązania jest możliwość łatwego czyszczenia oraz możliwości zmiany rozmiarów wymiennika poprzez dodawanie lub usuwanie płyt. Wymienniki takie znajdują zastosowanie w systemach, które wymagają regularnego czyszczenia, np. w systemach chłodniczych (gdzie woda chłodząca wytrąca kamień), przemyśle mleczarskim (gdzie w wymienniku odkładają się zanieczyszczenia biologiczne), okrętownictwie (gdzie czynnikiem chłodzącym jest woda morska) oraz przemyśle farmaceutycznym.

Wymiennik spiralny Wymienniki tego typu skonstruowane są z płyt owiniętych spiralnie tworzących przestrzenie dla przepływających płynów. Płyty stanowią powierzchnię wymiany ciepła. Ze względu na konieczność rolowania płyt liczba materiałów konstrukcyjnych jest ograniczona. Wymienniki te są zwykle krótkie i mają dużą średnicę. Maksymalna temperatura pracy wynosi ok. 500 °C, a maksymalne ciśnienie ok. 25 barów. Ich zaletą jest: możliwość pracy z problematycznymi płynami – wytrącającymi osady, o dużej lepkości lub zawierającymi zanieczyszczenia, samoczyszczenie wynikające z dużych prędkości przepływu płynów, łatwość czyszczenia wynikająca z małej liczby kanałów, małe straty cieplne wynikające z małej powierzchni płaszcza w stosunku do powierzchni wymiany ciepła oraz faktu, że płyn w najbardziej zewnętrznych kanałach ma najniższą temperaturę (tj. najbardziej zbliżoną do temperatury zewnętrznej), w przypadku przecieku istnieje małe prawdopodobieństwo przedostania się płynu do atmosfery.

Ten typ wymienników wykorzystuje się w przemyśle celulozowym i alkoholowym.

Zbiorniki z wężownicą lub płaszczem Ten typ wymiennika jest stosunkowo często spotykany w przemyśle. Składa się on ze zbiornika, w którym znajduje się lub przez który przepływa płyn. Elementem grzewczym jest wężownica, którą jest zwinięta rura znajdująca się w środku zbiornika, lub płaszcz zainstalowany na zewnątrz. Płyn wewnątrz zbiornika ogrzewa się lub ochładza kosztem płynu przepływającego w wężownicy lub płaszczu. Medium grzewczym jest zwykle para. Jako medium chłodzące najczęściej wykorzystuje się wodę.

Przykładem zbiornika z płaszczem są reaktory chemiczne. Gdy w reaktorze zachodzi reakcja egzotermiczna konieczne jest odebranie ciepła powstałego na skutek reakcji. Gdy reakcja jest endotermiczna konieczne jest dostarczenie energii. Z punktu widzenia chemii zbiornik taki jest reaktorem izotermicznym.

Zbiorniki z wężownicą wykorzystuje się np. w złożach fluidyzacyjnych.

Kanał odzysku ciepła Gazy spalinowe powstające w dużych piecach przemysłowych zawierają w sobie dużą ilość energii, która może być wykorzystana do ogrzewania innych gazów. W tym celu wykorzystuje się kanały odzysku ciepła. Są to podłużne tunele, w których zainstalowane są wiązki rurek przez które przepływają ogrzewane gazy. Gazy spalinowe opuszczające kanał emitowane są zwykle do atmosfery. Ponieważ temperatury spalin na wylocie z pieców sięgają kilkuset stopni konieczne jest zastosowanie wytrzymałych stali. W przeciwieństwie do innych wymienników, w kanałach odzysku ciepła (po zewnętrznej stronie rurek) przepływ burzliwy jest niepożądany, gdyż mógłby prowadzić do zbyt intensywnej wymiany ciepła i przegrzania rur.

Rekuperatory z wytwarzaniem ciepła – przykłady