Historie deskových výměníků

CESTA VÝVOJE - OD DESKOVÝCH PASTERIZÁTORŮ K DESKOVÝM VÝMĚNÍKŮM SPOJOVANÝCH NATAVENÍM

V roce 1879 Gustaf de Laval patentoval svoji první kontinuální odstředivku na odstřeťování smetany z mléka. O rok později německý vynálezce Albrecht Dracke získal patent na zařízení, ve kterém jedna kapalina chladila jinou tím, že kapaliny proudily po obou stranách řady tenkých kovových desek. Drackeův vynález byl prvním krokem směrem ke komerčnímu deskovému pasterizátoru.

Za 140 let se deskové výměníky tepla vyvinuly a přeměnily v zařízení pro použití v tisícovkách různých aplikací v téměř všech odvětvích moderního průmyslu. Dříve sloužily výhradně k ohřívání a chlazení mléka, dnes pomáhají ohřívat a chladit například v průmyslových procesech, klimatizovat v budovách či zajišťovat teplou vodu pro stovky miliónů lidí.

1880 – první zařízení na principu výměníku
1931 – první sériově vyráběné výměníky z 30. let
1951 – první skládané deskové výměníky
1960 – první výměník využitý v průmyslu
1962 – první spirálový výměník
1970 – první mědí pájený výměník
2005 – první výměník s připojením DN 500

Závody ve vývoji

Od 30. let minulého století společnosti jako Alfa Laval či APV soutěží ve vývoji deskových výměníků tepla. Z počátku se jednalo většinou o pasterizaci mléka nebo piva. Na začátku 50. let Alfa Laval zaznamenala pronikavý úspěch se svými rozebíratelnými deskovými výměníky tepla pro průmyslové aplikace. V roce 1951 společnost prodala 182 kusů těchto výměníků. Dnes prodává ročně desítky tisíc výměníků rozebíratelných a milióny výměníků pájených a spojovaných natavením.

Požadavek na první skutečně průmyslový výměník přišel z lodního průmyslu. Pro průmysl byly výměníky tepla v zásadě přepracovány z modelů pro mlékárenství. Současně s rozvojem zpracovatelského průmyslu v 60. letech minulého století se rovněž vyvíjely požadavky na výměníky tepla.

Obr. 1 – Deskový výměník tepla – 30. léta minulého století 

Vývoj desky

I poté, co se společnost Alfa Laval více zapojila do výroby průmyslových deskových výměníků tepla, stále používala na svých deskách tzv. vodorovný vlnitý profil, zatímco konkurenční firma AB Rosenblad zavedla účinnější šípovitý profil. V roce 1962 společnost Alfa Laval získala patenty firmy AB Rosenblad, přidala do svého výrobního programu spirálový výměník tepla a rozšířila řadu průmyslových deskových výměníků. Na konci 60. let byl klasický vlnitý profil opuštěn ve prospěch řešení firmy Rosenblad.

Po dlouhou dobu byly nabízeny výměníky s deskami vyrobenými především z nerezavějících ocelí různé jakosti. Petrochemický průmysl se ukázal být hnacím motorem ve vývoji materiálů desek, které by odolávaly abrazivním a korozivním médiím. V 60. a 70. letech minulého století vznikly desky z materiálů lépe odolávajících korozi, jako jsou titan či grafit.

Vlnitý profil je i nadále důležitým faktorem při vývoji nových desek. Vše je zaměřeno na zajištění maximální účinnosti přenosu tepla, optimálního proudění a turbulence pro různé aplikace. Dnes jsou profily vyráběny nejmodernějšími metodami lisování s využitím znalostí materiálů pro výrobu desek.

Kompaktní a účinný

Posledních 50 let vývoje přineslo do průmyslových odvětví nové metody chlazení a ohřívání. Technologický průlom byl učiněn nejen v oblasti materiálů, ale také na poli výrobních metod a konstrukce výměníků tepla.

Díky efektivním výrobním metodám a vývoji materiálů se deskové výměníky tepla zmenšily a jejich účinnost se ještě zvýšila v porovnání se starými modely a tradičními technologiemi, jako jsou například trubkové výměníky tepla. Tím klesly prostorové nároky a snížila se spotřeba energie.

Revoluce ve zmenšování začala již v 70. letech minulého století, kdy byly na trh uvedeny kompaktní deskové výměníky tepla pájené mědí. Způsobily převrat zvláště v oblasti konstrukce modulů dálkového vytápění. 

U rozebíratelných výměníků bylo dalším milníkem nasazení zaklapávacích vsazovaných těsnění namísto těsnění lepených. V roce 1978 Alfa Laval vyvinula zcela novou konstrukci zaklapnutí, která zákazníkům umožnila vyměnit těsnění vlastními silami. Zaklapávací těsnění neusnadňuje jen montáž, podstatně také zkracuje prostoje při opravách a údržbě. U některých typů zařízení se však stále používají těsnění lepená.

Obr. 2 – Detail těsnění rozebíratelného výměníku

Revoluční technologie natavení

V posledních letech se společnost Alfa Laval dostala do čela technologické inovace díky řadě celonerezových deskových výměníků tepla spojovaných natavením – AlfaNova. Vysoce výkonné výměníky AlfaNova vycházejí z nové patentované technologie AlfaFusion™, která je výsledkem několikaletého výzkumu materiálů a technologie pájení.

Obr. 3 – Výměníky AlfaNova

Tajemství spočívá v procesu, při kterém jsou zvlněné desky z nerezové oceli AISI 316 vzájemně spojovány v peci při vysoké teplotě. Vzniká tak výměník tepla, který neobsahuje těsnění ani pájku na bázi mědi nebo niklu.

Vývoj kompaktních deskových výměníků tepla reagoval na požadavky trhu na vyšší mechanickou pevnost, vyšší odolnost proti korozi a vyšší úroveň hygieny, než posky- tují pájené výměníky tepla. Výsledkem jsou celonerezové deskové výměníky tepla spojované natavením o vyšší mechanické pevnosti, které snášejí výpočtové tlaky až 34 bar (podle velikosti) a teploty od –196 °C do +550 °C.

Na konci 70. let došlo k převratu v konstrukci modulů dálkového vytápění zavedením výměníků tepla pájených mědí. V tomto století představují hlavní průlom výměníky tepla spojované natavením, zejména v systémech dálkového vytápění naplněných agresivní vodou. Jsou rovněž vhodné pro systémy využívající přírodní chladiva jako čpavek a jiná média agresivní vůči mědi.

Důležitým faktorem je také hygiena. V určitých oblastech aplikace výměníků tepla je v řadě zemí hygiena předmětem stále přísnější legislativy. Patří sem vodní chladiče v chladicích systémech, systémy na ohřev pitné vody a celá řada dalších hygienických aplikací, jako jsou zpracování potravin či biotechnologie. Budoucností pro tyto aplikace jsou celonerezové výměníky tepla AlfaNova.

Průmyslové výměníky AlfaNova konkurují tradičním trubkovým a jiným výměníkům tepla například v petrochemickém, ropném a plynárenském průmyslu. V porovnání s konstrukcí trubkového výměníku je koncepce celonerezového výměníku AlfaNova kompaktnější při stejném výkonu. Tím poskytuje vysoký stupeň pružnosti dodavatelům systémů a projekčním firmám, které je zahrnují do úvodních a prováděcích projektů.

Prostor pro velké úspory

Ve zpracovatelském průmyslu někdy věci, které se zdají být velké, jsou ve skutečnosti docela malé, přihlédneme-li k jejich výkonu. Dobrým příkladem je běžný trubkový výměník s teplosměnnou plochou 1 000 m². Může být nahrazen jedním kompaktním celosvařovaným ohřívačem typu Compabloc o objemu 3 m³, jenž při přenostu tepla zajistí stejný výkon.

Uspořádání s větším počtem kontaktních bodů mezi jednotlivými deskami zvyšuje pevnost konstrukce, což v kombinaci s použitím laserového svařování zvyšuje odolnost vůči vysokým tlakům až 35 bar a teplotám až 350 °C.

Zaměříme-li se na koeficient přestupu tepla, jsou tyto jednotky ve skutečnosti až čtyřikrát účinnější než odpovídající trubkové výměníky. Díky této skutečnosti jsou rozumnou alternativou k běžným trubkovým výměníkům při použití v chemickém a petrochemickém průmyslu pro aplikace odpařování a kondenzace.

Všechny zpracovatelské podniky potřebují chladit provozní média. Někdy lze využít rekuperace tepla (výměna přebytku tepla mezi dvěma médii), běžně se používá také uzavřený chladicí systém, tzv. sekundární chlazení. Tento systém lze použít rovněž k chlazení hnacích turbín, motorů a jiných zařízení.

Roku 2005 spatřil světlo světa jeden z největších deskových výměníků tepla s těsněním na světě – výměník T50. Toto obří zařízení bylo navrženo pro uzavřený chladicí okruh (sekundární chlazení) např. ve velkých petrochemických závodech.

Navzdory velkým rozměrům zabírá T50 vzhledem k výkonu malou půdorysnou plochu. Úkoly, které dříve zvládaly 2 až 3 velké deskové výměníky tepla, nyní zvládne jediná jednotka.

Obr. 4 – Výměník T50

Dalším obrem je jedinečný celosvařovaný výměník tepla Packinox pro rafinérský a petrochemický průmysl. Tyto jednotky jsou enormně velké, obvykle 18 m dlouhé a v průměru 2,5 m široké. Výroba tak velkých jednotek vyžaduje nové technologické postupy a novátorské myšlení. Desky jsou velké 13 x 2 m a musí být vyráběny na speciálním zařízení. Je použita patentovaná technologie, kdy jsou desky tvarovány jedna po druhé výbuchem dynamitu pod vodou.

Obr. 5 – Největší celosvařovaný výměník tepla – Packinox

Dosud největší jednotka byla 21 m dlouhá, měla 6,1 m v průměru a vážila 300 t. Každá jednotka obsahuje stovky desek. Navzdory své velikosti zabírá vhledem k produkovanému výkonu výjimečně malou půdorysnou plochu. Její teplosměnná plocha může být až 16 000 m2 a může nahradit až dvanáct trubkových výměníků tepla.

Budoucnost

Ačkoliv se trh výměníků tepla změnil, princip výměny tepla zůstává stále stejný. Díky deskovým výměníkům tepla byla nalezena nová řešení coby alternativa ke starým technologiím. Tento trend pokračuje v několika oblastech, například v petrochemii, dálkovém vytápění a chlazení, zpracování potravin a lodním průmyslu.

Budoucí vývoj se zaměří na konstrukci výrobků, materiály, monitorovací systémy zajišťující optimální provozní podmínky a cykly účinné preventivní údržby. Nové výrobní metody rovněž přispějí ke zvýšení účinnosti výměníků. Klíčovými slovy jsou zejména zvýšení efektivity, nová řešení moderních procesů, snadný přístup k plánované údržbě a energetická účinnost.

Ve světě, kde je stále běžnější konsolidace trhů a firem, se nabídka netýká jen výrobků. Pro podniky bude hrát v budoucnu rozhodující úlohu nabídka kompletní výkonové řady výrobků doprovázená programy preventivní údržby.