Speciální výměníky tepla

Jedná se o speciálně navržené protiproudé šroubovicové výměníky tepla, určené pro speciální aplikace. U speciálních provedení je například respektován požadavek na jiné provozní tlaky případně jiné provedení připojovacích bodů přívodních hrdel.

Příkladem je provedení výměníku VTX1 určeného pro chlazení tekutého CO₂ freonem R404A.

Jedná se o speciální užívání v podstatě klasických výměníků VTX1 a VTX2. Příkladem je provedení výměníku VTX1, určeného pro chlazení freonu ve vnitřním oběhu freonu tepelného čerpadla. Výměník je vložen mezi kondenzátor a výparník, před redukční ventil.

Princip fungování

Páry freonu, přicházející z výparníku, jsou kompresorem stlačeny na takový tlak, aby páry freonu v kondenzátoru kondenzovali na požadované teplotě (příkladně 50 nebo 35 °C). Ke kondenzaci dochází v kondenzátoru, kde je kondenzační teplo páry freonu předáno do topné vody k dalšímu finálnímu použití. Z kondenzátoru proto odchází kondenzát (kapalina) freonu o teplotě kondenzace – přesněji o teplotě zhruba o 5 až 7 K větší, než je teplota v kondenzátoru ohřívané vstupní vody. Tedy příkladně o teplotě 55 nebo 40 °C.

Aby následně docházelo ve výparníku tepelného čerpadla k odpařování freonu, musí být nutně teplota kapalného freonu menší, než je teplota prostředí, ze kterého je teplo čerpáno. U tepelného čerpadla vzduch–voda má venkovní vzduch teplotu příkladně 5 °C. Pro tuto teplotu vzduchu musí mít kapalný freon ve výparníku teplotu ještě zhruba o 4 až 7 K menší, tedy teplotu +1 až –2 °C.

Ke snížení teploty dochází běžně (za stávající situace) redukcí původního tlaku freonu v redukčním ventilu. Ke snižování teploty kapaliny dochází jejím odparem – změnou kapaliny na páru, kdy se teplota kapaliny sníží o výparné teplo takto vzniklé páry. Výsledkem je, že do výparníku přichází směs kapaliny a plynu o požadované nízké teplotě. Ve výparníku se kapalina freonu odpaří a páry jsou znovu nasávány kompresorem.

Z výše uvedeného popisu je zřejmé, že ochlazení kapalného freonu by bylo možné provést jinak, než se běžně provádí redukcí tlaku a následným odparem. K ochlazení kapalného freonu je možné použít vhodný výměník tepla a takto získané teplo pak vhodným způsobem využít.

Na oběhu freonu v tepelném čerpadle se nic nezmění, pouze dojde k většímu tepelnému zatížení výparníku. Výparník bude odpařovat větší množství kapalného freonu než při ochlazování freonu jeho redukcí. Při redukci tlaku chladného kapalného freonu nedochází ke snižování teploty odparem kapaliny jinak nutné ke snížení teploty kapaliny. Do výparníku nepřichází směs páry a kapaliny, ale v podstatě jen samotná kapalina o teplotě varu, dané sacím tlakem kompresoru. Ten potom odpovídá teplotě varu kapaliny, zhruba odpovídající teplotě vzduchu ohřívající výparník. Výparník je tedy ohříván proudem vzduchu, ze kterého je odebírané teplo tepelného čerpadla. Venkovní vzduch je ve výparníku ochlazován a toto teplo je následně předáváno v kondenzátoru do topné vody.

Požadavky na výměník

• Pro malé množství protékajícího freonu na primární straně výměníku jeho dostatečná rychlost a tomu odpovídající vysoký součinitel přestupu tepla
• Velké množství ohřívané vody, aby se voda ohřívala jen o cca 1 až 3 °C, při malé tlakové ztrátě na výměníku a dostatečné rychlosti proudění s vysokým součinitelem přestupu tepla
• Minimální rozdíl teplot mezi teplotou vystupujícího ochlazeného freonu a vstupní teplotou ohřívané vody – rozdíl by neměl být větší než 1 °C

Za výše uvedených podmínek přejde do ohřívané vody ve výměníku prakticky veškeré možné teplo z ochlazovaného freonu.

Dosahované výkony

Výše uvedeným podmínkám velmi dobře vyhovuje výměník tepla VTX1, pro tepelná čerpadla s výkonem 8 až 15 kW. Je to dáno především jeho vysokým číslem štíhlosti, kdy ochlazovaný freon proudí v trubičkách šroubovic dostatečnou rychlostí po dobu větší než 15 sek. To je dostatečný čas k vychlazení freonu v podstatě na vstupní teplotu ohřívané vody.

Jak je možné výpočtem pro ochlazování tekutého freonu doložit, pro jmenovitý výkon tepelného čerpadla 9 kW je výkon dodávaný tímto výměníkem 1,8 až 3,3 kW, podle pracovního režimu tepelného čerpadla. Pro tepelná čerpadla se jmenovitým výkonem příkladně 45 kW, při použití výměníku VTX2, je možné odbírat tímto způsobem výkon 10 až 20 kW.

Poznámka: Použití deskových výměníků tepla je pro tuto aplikaci zcela nevhodné, pro jejich malou štíhlost.