Logo
Metrikon
Održavanje i kvarovi pločastih izmjenjivača topline za laike
Preporuke

Održavanje i kvarovi pločastih izmjenjivača topline za laike

  • Katarina Knafelj Jakovac

    31. siječnja 2024.

Pločasti izmjenjivači su vrlo raširen tip izmjenjivača topline između toplog medija kojem treba hlađenje i hladnog medija koji preuzima toplinu, pogotovo na postrojenjima ograničenog prostora, upravo zbog svoje praktične konstrukcije, jednostavnosti u radu i kompaktnosti prilikom ugradnje.

Cjenovno su skuplji u odnosu na cijevne izmjenjivače, međutim imaju niže troškove održavanja i rezervnih dijelova.

Screenshot_2024-01-30_at_22.04.17-transformed.png
Slika: Pločasti izmjenjivači topline u radu (Izvor)

Pločasti izmjenjivači topline se koriste preko 100 godina za optimizaciju procesa u kemijskoj, prehrambenoj, farmaceutskoj, naftnoj i petrokemijskoj industriji. Prvi zabilježeni patent za pločasti izmjenjivač prijavio je njemački izumitelj Albrecht Dracke i tako otvorio put praktičnoj izmjeni topline između dvaju radnih medija.

Dr. Richard Seligman je prvi započeo komercijalno proizvoditi pločaste izmjenjivače 1923. u svojoj kompaniji Aluminum Plant and Vessel Company Ltd .

Razvoj pločastih izmjenjivača topline se nastavio, a popularnost među projektantima, tehničarima i inženjerima je stekao zahvaljujući velikoj toplinskoj efikasnosti, mogućnosti povećanja kapaciteta hlađenja dodavanjem rebrastih ploča i jednostavnosti prilikom rastavljanja i čišćenja.
Tehničke karakteristike i konstrukcija pločastih izmjenjivača definirane su Europskom direktivom za opremu pod tlakom PED 2014/68/EU (Pressure Equipment Directive), te normom ASME norma Sec VIII Div.1.

Što čini pločasti izmjenjivač?

Svaki pločasti izmjenjivač topline mora na vanjskoj strani okvirne ploče obavezno imati nazivnu pločicu.

Na pločici se navode informacija o: vrsti izmjenjivača topline, serijskom broju, dopuštenim tlakovima [bar g], dopuštenim temperaturama [°C], ispitnom tlaku [bar g], volumenu [L], dimenzijama kompresije Lmax. i Lmin. [mm], neto masi, godini proizvodnje.
Na slici je prikazan tipičan pločasti izmjenjivač sastavljen od okvira i nosača s vodilicama.

Izmjenjivac.png
Slika: Dijelovi pločastog izmjenjivača (Izvor: Skenirana slika iz knjige Velimir Ozretić - Brodski Pomoćni Strojevi i Uređaji)

Na vodilicama su redom poslagane rebraste ploče u snopu ili tkz. saću.

Razmak između dviju ploča je obično od 1,3 do 1,5 mm.

Rebra na pločama stvaraju veću rashladnu površinu i time omogućavaju bolju učinkovitost hlađenja jer poboljšavaju turbulentno strujanje radnog medija.

Izbor materijala za izradu rebrastih ploča je određen temeljem specifičnih radnih uvjeta budućeg korisnika, uključujući tlakove, temperature, radne medije i režime rada.

Rebraste ploče se najčešće izrađuju od nikla, bakra, slitine čelika i aluminija ili čelika i titanija, ovisno o namjeni izmjenjivača.
Nakon određenog vremena u radu, na površinama rebrastih ploča se počinju stvarati naslage kalcijevog karbonata, kalcijevog sulfata i silikata ili se javlja korozija.

Korozija je posljedica međudjelovanja materijala rebraste ploče i kemijskog sastava radnog medija.

Nastale naslage dodatno usporavaju protok topline i usporavaju turbulentno strujanje što dovodi do smanjenja efikasnog hlađenja.

Navedena pojava definira se pojmom faktor onečišćenja ili faktorom zaprljanja Rf (fouling faktor, m2K/W). Faktor onečišćenja zapravo predstavlja termalni otpor nastalih naslaga na površini ploče izmjenjivača prema prijenosu topline radnih medija.

Prljavština nataložena na površini ploče se ponaša kao izolator i smanjuje izmjenu topline čime se direktno smanjuje efikasnost izmjenjivača.

shutterstock_1090010837-768x576.jpg.webp
Slika: Ploče izmjenjivača sa naslagama prljavštine (Izvor)

Najčešći tip onečišćenja je taloženje krutih tvari iz tekućine na površinu za prijenos topline. Ostale vrste zaprljanja površine uključuju kemijsko onečišćenje (npr. korozija) i biološko obraštanje uzrokovano rastom algi.

Faktor onečišćenja površine najviše ovisi o kemijskim i fizikalnim karakteristikama radnog medija, o brzini protjecanja radnog medija te o vrsti materijala za izradu ploče.

Brzina protjecanja od 0.9 m/s ili manja dovodi do bržeg zaprljanja površine ploče.

Potisna i okvirna ploča pritišću rebraste ploče u snopu, a čitav snop je stegnut parovima priteznih vijaka za prednapinjanje.

Najčešće konstrukcija pločastog izmjenjivača ima najmanje 4 para vijaka za prednapinjanje.

Istjecanje medija sprječavaju brtve na rubovima rebrastih ploča i omogućavaju alternativni prolaz radnog medija.

Brtve su potrošni dijelovi osjetljivi na kemijsko, termičko i mehaničko oštećenje.

Izbor materijala za izradu brtvi je također ovisan o specificiranim tlakovima, temperaturama te svojstvima radnih medija.
Brtve se dijele u dvije skupine: a) elastomer brtve sa 2 ili 4 oka, pričvršćuju se na površinu ploče uprešavanjem ili pomoću specijalnog ljepila, ovisno o proizvođaču izmjenjivača

b) tvrde brtve izrađene od mineralnih vlakana koje se neizostavno pričvršćuju ljepilom.

Elastomer brtve tijekom vremena zastarijevaju i postaju krhke.

Tvrde brtve nemaju svojstvo kompenziranja promjena u svojoj strukturi nastalih uslijed promjene temperaturnog opterećenja npr. prilikom pokretanja iz hladnog stanja, što može dovesti do propuštanja radnog medija.

Na vijek trajanja brtvi utječe način korištenja izmjenjivača.

U slučaju nepravilnog korištenja neminovno će doći do skraćenog vijeka trajanja a time i do većih troškova održavanja jer će ih korisnik prije vremena morati mijenjati.

Ako se brtve u potpunosti zamjenjuju, potrebna dimenzija kompresije L je jednaka vrijednosti Lmax. otisnutoj na nazivnoj pločici.

Group 9 (1).png
Slika: Bočni prikaz pločastog izmjenjivača topline sa naznačenom dimenzijom kompresije L (prilagođeno prema Izvor)

Kada su ploče izmjenjivača topline samo očišćene a brtve nisu zamijenjene, tada je potrebno izmjeriti i zapisati postojeću dimenzija kompresije L prije otvaranja pločastog izmjenjivača topline te pritegnuti snop na zapisanu vrijednost L.

Ako imamo slučaj promjene broja ploča u snopu izmjenjivača topline, bilo da dodajemo nove ploče ili smanjujemo broj postojećih, nova Lmax. dimenzija kompresije treba biti dogovorena i potvrđena sa originalnim proizvođačem izmjenjivača (OEM).

Tada je potrebno ažurirati podatke, izraditi i postaviti novu natpisnu pločicu sa novom vrijednosti Lmax.

Tijekom montaže pločasti izmjenjivač topline treba ugraditi prema uputama proizvođača na način da se kasnije izbjegne prenošenje sila velikog intenziteta, velikih momenata ili povećanih vibracija preko cijevi i spojeva sa izmjenjivačem.

Dobra praksa je da ovlašteni predstavnik proizvođača ili dobavljača bude prisutan tijekom montaže pločastog izmjenjivača i puštanja u rad te potvrdi ispravnost ugradnje primopredajnim zapisnikom.
Ako ne želite imati probleme sa začepljenjem pločastog izmjenjivača topline ili njegovih priključnih cijevi tijekom prvog puštanja u rad, obavezno montirajte filter ili premosnu cijev za prvo ispiranje sveukupnog sustava cijevi.

Filter ili premosnu cijev treba ukloniti nakon što pločasti izmjenjivač postigne stabilne radne parametre.

Kako funkcionira pločasti izmjenjivač topline?

Oko ili otvor na svakom kutu rebraste ploče omogućavaju istovremeno ulazak 2 radna medija različitih temperatura koji potom ulaze u rebra tj. uske kanale na površini ploča. Kanali usmjeravaju tok rednog medija.

Brtve na rubovima ploča su montirane tako da radni medij prolazi alternativnim putem, medij “A“ ulazi putem neparnih prolaza dok medij “B“ ulazi između parnih prolaza.
Na slici je prikazan način funkcioniranja klasičnog pločastog izmjenjivača.

izmjenjivac-2.jpeg
Slika: Funkcioniranje pločastog izmjenjivača (Izvor: Skenirana slika iz knjige Velimir Ozretić - Brodski Pomoćni Strojevi i Uređaji)

Dijagram protjecanja radnih medija na sljedećoj slici pokazuje da hladni medij (plavi) i topli medij (crveni) naizmjenično protječu površinama ploča.

Hladni i topli medij su u potpunosti odvojeni jedan od drugoga pločama izmjenjivača.

Brtve na rubovima ploča osiguravaju da se u potpunosti izbjegne miješanje radnih medija.

plate-heat-exchanger-flow-path-1.jpeg
Slika: Dijagram tijeka hladnog i toplog radnog medija u pločastom izmjenjivaču (Izvor)

Održavanje i rješavanje kvarova

Pločasti izmjenjivači topline bi uvijek trebali biti u funkcionalnom stanju. Tako će se izbjeći pojava prerane preuranjena istrošenost specifičnih dijelova pločastog izmjenjivača topline zbog nepovoljnih uvjeta okoline.

Kvaliteta održavanja pločastog izmjenjivača izravno utječe na učestalost pojave kvarova.

Obavezne aktivnosti održavanja i praćenja rada obuhvaćaju:

  • Redoviti vizualni pregledi pločastoga izmjenjivača topline tijekom rada, provjera ima li propuštanja, javlja li se kondenzirani radni medij na okvirnoj i/ili potisnoj ploči te pojave isparavanja

  • Praćenje tlakova i temperatura

  • Provjera koristi li se ispravan radni medij,

  • Redovito uzimanje uzoraka radnog medija i slanje na laboratorijsku analizu

  • Rad unutar minimalnih i maksimalnih radnih parametara navedenih na natpisnoj pločici, u listi podataka, u tehnološkom priručniku i u standardnim operativnim procedurama

  • Izbjegavanje naglih promjena tlakova i temperatura u radu

  • Plansko čišćenje izmjenjivača izvana sa visokotlačnim peračem (miniwash)

  • Plansko čišćenje "na mjestu" kada kroz izmjenjivač topline umjesto tekućeg medija protječe kemikalija za čišćenje. Otopina kemikalija otapa naslage i tako ih uklanja sa rebraste površine, što je dodatno pojačano turbulentnim strujanjem.
    Kemikalije za čišćenje moraju biti kompatibilne sa materijalom rebrastih ploča i sa materijalom brtvi da se izbjegne oštećenje i nagrizanje.
    Otopina kemikalija treba sadržavati maksimalno 5% volumnog udjela lužine ili 0.5% masenog udjela kiseline pri maksimalnoj temperaturi 70°C prilikom ispiranja.

  • Plansko podmazivanje navoja na vijcima za pritezanje i provjera dotegnutosti svih matica

  • Redovito bojanje okvirne i potisne ploče nanošenjem novog zaštitnog premaza

Kada se pločasti izmjenjivač topline stavlja izvan pogona na duži period, mora u potpunosti biti ispražnjen i rasterećen od tlaka radnog medija.

Potom ga treba temeljito očistiti, konzervirati i prikladno pohraniti idućeg puštanja u rad.

Plansko održavanje se uglavnom sastoji od redovitog čišćenja rebrastih ploča pomoću visokotlačnog perača sa obiju strana.
Interval čišćenja se određuje praćenjem stanja izmjenjivača, tj. praćenjem temperature radnih medija na manometrima ugrađenim na ulaznim i izlaznim cjevovodima ili praćenjem razlike tlakova na diferencijalnom manometru.

Što je manja razlika temperature na ulazu i izlazu, to je izmjenjivač prljaviji i učinkovitost hlađenja je manja jer je smanjen prijenos topline.

Na pločama izmjenjivača se najčešće talože naslage blata, mulja, pijeska ili algi. Obraštanje algi je čest slučaj kod brodskih izmjenjivača koji hlade slatku vodu pomoću morske vode.

Izmjenjivači za hlađenje vodom su podložniji nastanku naslaga blata dok su izmjenjivači za hlađenje ulja za podmazivanje ili goriva podložni nastanku naslaga koksa.

Rastavljanje pločastog izmjenjivača se izvodi tako da se prvo zatvore svi ventili dovoda i odvoda dvaju radnih medija i da se izmjenjivač dobro ohladi.

Potom treba odzračiti i drenirati izmjenjivač, očistiti i podmazati nosače i vodilice te podmazati navoje i matice priteznih vijaka.

Ako su matice zapekle ili korodirale upotrijebite WD 40 ili kemijsko sredstvo slične namjene.

Izmjerite i zabilježite duljinu između okvirne i potisne ploče na vrhu i na dnu s obje strane tj. dimenziju kompresije L. Biti će potrebna 4 mjerenja duljine, po dvije za svaku stranu, pri vrhu i pri dnu.

Potom otpustite matice priteznih vijaka, gornji lijevi i donji desni ili obratno, bitno je da se otpuštanje izvodi na kontra stranama.
Uklonite pritezne vijke i okvirnu ploču pa krenite redom s vodilica skidati rebraste ploče i obilježite ih brojevima jednu za drugom radi istog redoslijeda prilikom montaže.

Zasebno operite svaku ploču s obje strane pomoću vodenog mlaza pod tlakom i očiste mekanom četkom.

Ne smiju se koristiti ručne žičane četke od čeličnih vlakana jer će oštetiti površinu ploče. Ako su prisutni debeli slojevi naslaga, ploče je potrebno uroniti u adekvatnu kemijsku kupku.

Detaljno pregledajte sve brtve na svim pločama u potrazi za oštećenjima.

Pregledajte jesu li sve ploče dobro očišćene. Montirajte ih na nosače slaganjem na vodilice tako da posljednja skinuta ploča ide prva i tako redom sve do montaže potisne ploče.

Montirajte pritezne vijke i lagano dotežite matice suprotno postavljenih vijaka, potom pritegnite do kraja.

Ponovno pričvršćivanje steznih dijelova pločastog izmjenjivača topline se može izvršiti samo u stanju kada je izmjenjivač u potpunosti ispražnjen i nema tlaka radnog medija jer u suprotnom dimenzija kompresije Lmin. može biti manja.

Kažemo da pločasti izmjenjivač mora biti rasterećen.

Provjerite jesu li rebraste ploče odgovarajuće pritisnute između okvirne i potisne ploče tako da ponovno izmjerite udaljenost L među njima na više strana, na isti način kao što ste napravili prije rastavljanja.
Kada je sve ispravno postavljeno, rebraste ploče bočno izgledaju kao saće.

Najčešći kvarovi pločastih izmjenjivača su propuštanje radnog medija prema van ili prema unutra zbog oštećenih brtvi, previsoke temperature radnih medija, neodgovarajuća pritegnutost vijaka ili nastanak pukotina na pločama zbog korozije.

Veliki pad tlaka je rezultat veće količine naslaga na površinama ploča, dok savijene ploče ili prevelike naslage nečistoće onemogućavaju dotezanje priteznih vijaka.

Pojava visokog tlaka se obavezno treba izbjegavati.

Do pojave visokog tlaka će dovesti pogrešna dimenzija kompresije L te problemi u strujanju radnih medija ili njihova neodgovarajuća fizikalna i/ili kemijska svojstva.

Izvođenje brzih prespoja poput zamjene armature na cijevima spojenima sa pločastim izmjenjivačem topline ili poremećaji u procesu kao što su ubrzani nastanak kondenzata ili isparavanje isto tako dovode do nastanka visokog tlaka radnog medija.
Cijevni priključci i ostala armatura spojena sa pločastim izmjenjivačem ponekad može biti uzrok kvara jer poteže izmjenjivač u stranu i dovodi do savijanja rebrastih ploča.

Događa se u slučajevima kada imamo prevelika opterećenja na cijevnom priključku zbog mase cijevi, brtveni prsten je prljav ili nepravilno prianja te prirubnički spoj nije odgovarajuće pritegnut.

Svaki pločasti izmjenjivač mora biti odgovarajuće uzemljen.

Zavareni spojevi na potisnoj i okvirnoj ploči, na nosaču i na vodilicama ne smiju imati pukotina.

U slučaju nastanka pukotina potrebno je reparaturno zavarivanje pomoću srebrne elektrode sa udjelom minimalno 45% srebra pri čemu temperatura prilikom zavarivanja ne smije prijeći 650°C.

Katarina Knafelj Jakovac
Katarina Knafelj Jakovac social media icon
30. siječnja 2024.

Katarina Knafelj Jakovac je inženjerka strojarstva sa dugogodišnjim radnim iskustvom u naftnoj industriji. Certificirani lider za pouzdanost opreme specijalizirana za strojarsku opremu i operativnu izvrsnost. Autorica je bloga Strojarska Radionica gdje dijeli profesionalno znanje i osobno iskustvo u održavanju različitih rotacijskih strojeva, strojnih sustava i procesne opreme. Obožava mehaniku, nauku o toplini i motore sa unutarnjim izgaranjem. Posvećena je kontinuiranom unaprjeđenju održavanja strojeva i kvalitetnog gospodarenja fizičkom imovinom.