Принцип работы теплообменника в системе отопления

Схема теплообменника: как работает подогреватель

Основу разборного теплообменника обеспечивает рама, состоящая из прижимной и неподвижной плит, направляющих планок и задней стойки. Верхняя направляющая скрепляет заднюю стойку с плитой. Внутри рамы установлен комплекс пластин с различным во всех устройствах количеством пластин.

Особенности подогревателя:

• В разборных теплообменниках пакет с пластинами находится между прижимной и неподвижной плитами, и крепко прижат с помощью резьбовых шпилек к неподвижной плите;
• Пластины разделены между собой с помощью пластичных, обеспечивающих герметичность, резиновых или полимерных уплотнителей;
• Уплотнительные прокладки во всех моделях теплообменников или же приклеиваются в предназначенных для этого пазах, или же прикрепляются к пластине зажимами;
• Если же теплообменник паяный, то пластины между собой соединены прочным припоем, который скрепляет пластины друг с другом и обеспечивает прибору герметизацию.

Благодаря этому повышается сопротивляемость давлению, которое создается между пластинами, и обеспечивает оптимальное КПД теплообмена.

Виды пластинчатых теплообменных аппаратов и их применение

По способу соединения теплообменных пластин теплообменник может быть:

• разборной;
• паяный;
• полусварной;
• сварной.

Конструкция и принцип работы разборных пластинчатых ТО были описаны выше. Рассмотрим более подробно особенности конструкции и область применения паяных, полусварных и сварных теплообменников.

Паяный пластинчатый теплообменник

Агрегат широко используется для:

• нагрева и охлаждения рабочих сред;
• испарения;
• конденсации;
• утилизации и рекуперации тепловой энергии.

Теплообменные пластины ППТО изготавливаются из нержавеющей стали. Сборка пакета осуществляется аналогично с разборными теплообменниками, после чего производится пайка медным или никелевым припоем, в зависимости от агрессивности рабочей среды: для более агрессивных сред используется никель.

К наиболее существенным преимуществам паяных ПТО можно отнести:

• высокую надежность;
• возможность работы в широком температурном диапазоне;
• легкость и небольшие габариты;
• надежность конструкции;
• простоту монтажа и технического обслуживания;
• доступную стоимость.

Особенно хорошо паяные ПТО зарекомендовали себя в холодильных и замкнутых отопительных системах.

Полусварные пластинчатые теплообменники

Главной конструктивной особенностью полусварных теплообменников является попарное сваривание штампованных пластин, в результате чего формируется отдельный герметичный модуль. Сборка ПСПТО осуществляется также, как и разборного теплообменника, различие состоит в том, что вместо отдельных пластин используются готовые сварные модули.

Между первичными и вторичными модулями устанавливаются прокладки из термостойкой резины. Отсутствие внутренних прокладок позволяет существенно увеличить рабочее давление в системе и температуру рабочей среды.

Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам ПСПТО получили широкое распространение следующих областях:

• в системах вентиляции и кондиционирования;
• в химическом и фармацевтическом производстве;
• в пищевой промышленности;
• в системах рекуперации;
• в отопительных системах;
• в системах централизованной подачи горячей воды.

Среди наиболее значимых преимуществ данной конструкции можно выделить:

• широкий диапазон рабочих температур;
• отсутствие герметизирующих прокладок;
• инертность к агрессивным рабочим средам;
• простоту монтажа и технического обслуживания.

В отличии от сборных ПТО, полусварные агрегаты практически полностью исключают возможность неправильной сборки.

Сварные пластинчатые теплообменники

Отсутствие уплотнений является главной особенностью конструкции сварных теплообменных аппаратов. Гофрированные пластины сварены в один блок, в котором рабочая среда протекает по внутренним каналам, а нагреваемая – по внешним.

Применяются СПТО при работе с агрессивными средами при повышенных температурах и высоком давлении рабочих сред.

Конструктивные особенности сварных теплообменников обеспечивают следующие преимущества:

• компактность;
• высокий коэффициент теплопередачи;
• незначительные теплопотери;
• простоту технического обслуживания.

Отсутствие уплотнений в сварных ПТО обеспечивает полную герметичность рабочих каналов, что позволяет работать в экстремальных условиях.

Расчет

Выбор подходящего теплообменника сложно выполнить, оперируя только одной лишь его мощностью или пропускной способностью. Эффективность подготовки ГВС зависит и от состояния теплоносителя в первом контуре и во втором, от материала и конструкции теплообменника, скорости и массовой части теплоносителя, проходящего в единицу времени через пластинчатый теплообменник. Однако, естественно следует предварительно выполнить расчет, позволяющий прийти к определенному сочетанию мощности и производительности для выбора подходящей модели.

Базовые данные необходимые для расчета:

• Тип среды в обоих контурах (вода-вода, масло-вода, пар-вода)
• Температура теплоносителя в системы отопления;
• Максимально допустимое снижение температуры теплоносителя после прохождения теплообменника;
• Начальная температура воды, используемой для ГВС;
• Требуема температура ГВС;
• Целевой расход горячей воды в режиме максимального потребления.

Кроме этого в формулах для расчета задействована удельная теплоемкость жидкости в обоих контурах. Для ГВС используется табличное значение для начальной температуры воды, чаще +20оС, равное 4,182 кДж/кг*К. Для теплоносителя следует отдельно находить значение удельной теплоемкости, если в его составе имеется антифриз или другие присадки для улучшения его качеств. Аналогично для централизованного отопления берется приблизительное значение или фактическое на основании данных теплокоммунэнерго.

Целевой расход определяется количеством пользователей для горячей воды и количеством устройств (краны, посудомоечная и стиральная машинка, душ), где она будет использована. Согласно требованиям СНиП 2.04.01-85 необходимы следующие значения расхода горячей воды:

• для раковины – 40 л/ч;
• ванная – 200 л/ч;
• душевая – 165 л/ч.

Значение для раковины умножается на количество устройств в доме, которые могут использоваться параллельно, и складывается со значением для ванны или душевой в зависимости от того, что именно используется. Для посудомоечной и стиральной машинки значения берутся из паспорта и инструкции и только при условии, что они поддерживают использование горячей воды.

Второе базовое значение – это мощности теплообменника. Рассчитывается исходя из полученного значения расхода жидкости и разницы температур воды на входе в теплообменник и на выходе.

где m – расход воды, С – удельная теплоемкость, Δt – разница температур воды на входе и выходе ПТО.

Для получения массового расхода воды следует расход, выраженный в л/ч умножить на плотность воды 1000 кг/м3.

КПД теплообменников оценивается на уровне 80-85%, и многое зависит от конструкции самого оборудования, так что полученное значение следует разделить на 0,8(5).

С другой стороны ограничением по мощности будет расчет, выполненный со стороны первого контура с теплоносителем, где, используя уже разницу допустимых температур для системы отопления, получаем максимально допустимый забор мощности. Конечный результат будет компромиссом между двумя полученными значениями.

Если забора мощности для нагрева нужного количества горячей воды не хватает, то разумнее использовать две ступени подогрева и, соответственно, два теплообменника. Мощность распределяется между ними поровну от требуемого расчета. Одна ступень выполняет предварительный нагрев, используя в качестве источника тепла обратку отопления с пониженной температурой. Второй ПТО уже нагревает окончательно воду за счет горячей воды с подачи отопления.

От каких факторов зависит эффективность

• Конструкция устройства.
• Режим работы, температура отдающего теплоносителя.
• Величина потерь тепла или, проще, состояние внутренней поверхности трубок (отсутствие накипи или наслоений, работающих как теплоизолятор и снижающих способность к принятию или отдаче тепловой энергии).

Поскольку устройство выбирается на стадии проектирования и монтажа, а режим работы устанавливается при настройке системы отопления в целом, то наиболее важным фактором становится борьба с потерями. Для этого теплообменник бытовой периодически промывают и очищают с помощью различных средств, которых достаточно в продаже.

Для удаления накипи применяют кислотные составы, а жировые отложения очищаются с помощью каустической соды. После очистки устройство тщательно промывают и вновь подключают к оборудованию. Другим средством, осуществляющим профилактику и снижающим степень загрязнения, являются фильтры. С их помощью отсеиваются посторонние частицы, взвесь, жировые соединения. При этом, фильтры также подлежат периодической промывке или замене.

Теплообменник для печи

Теплообменник в печь для отопления можно изготовить самостоятельно, для этого обычно используется листовая 3-мм сталь или трубы, которые могут быть профильными или круглыми. Толщина их стенок может изменяться в пределах от 3 до 5 мм, тогда как диаметр обычно варьируется от 30 до 50 мм.

В качестве альтернативного решения для этой цели можно использовать трубы из нержавейки или меди. Однако из-за их высокой стоимости материал используется довольно редко. Да и с применением листового металла регистры изготовить проще. Их будет легче чистить при эксплуатации. Однако обычно они имеют меньшую площадь контакта с горячими газами или пламенем, ведь в большинстве случаев представляют собой сплошную поверхность, а в теплообмене участвует лишь внутреннее основание, обращённое к пламени.

Если изготавливать такой теплообменник для отопления частного дома из трубы, то он будет иметь такие же размеры, как и в вышеописанном случае, но теплообменная площадь увеличится. Ведь горячие газы и пламя будут контактировать. Однако при изготовлении придется изрядно потрудиться, особенно это касается тех конструкций, которые полностью состоят из трубы круглого сечения.

Если вы решили прибегнуть к технологии, которая предполагает применение труб, то лучше предпочесть цельнотянутые бесшовные изделия, которые дополнительно укрепляются сварным швом. Их следует расположить с наружной стороны регистра, в том месте, где находится кирпичная кладка.

Когда теплообменник своими руками для отопления изготавливается по такой технологии, довольно часто листовое железо и трубы комбинируют. Это делается для того, чтобы использовать положительные качества изделий, а также для упрощения технологии. В конечном итоге удастся получить достаточно внушительную теплообменную площадь.

Как сделать обменник своими руками

1. Для теплообменника с емкостью потребуется бак, пара трубок из меди. Можно использовать листовую сталь в толщину 2,5- 3 мм, сварить из нее резервуар нужногО объема.
2. Установите емкость от пола не менее 1 метра, от печи – не менее 3 метров.
3. Проделайте два отверстия справа, ближе к конструкции и слева – наверху.
4. Подведите к печи нижний отвод, под наклоном в 2- 3 градуса.
5. Подключите верхний отвод под углом в 20 гр., только в обратную сторону.
6. Врежьте в нижний отвод на выходе кран для слива воды из бака.
7. Внизу еще один кран для слива воды из всей системы.
8. Проверьте конструкцию, она должна быть герметичной, можно заполнить водой и под легким напором выявить места протечки, устранить их.

Материал изготовления

Изготавливают теплообменник для котла из материалов прочных, хорошо проводящих тепло, не склонных к коррозии и достаточно устойчивых к давлению. Поскольку приходится учитывать и стоимость материала, выбор невелик.

Сталь

Стальной теплообменник дешевле в цене, но менее долговечный

Это самый доступный материал. Сталь очень прочная, но хорошо поддается обработке. Цена невелика. Плюс такого варианта – стойкость к высокой температуре. Сталь пластична и при нагреве не покрывается трещинами, не деформируется даже на участках, контактирующих с горелкой.

Стальной теплообменник на твердотопливный или газовый котел склонен к коррозии. Вода внутри трубок и продукты сгорания в камере котла разрушительно действуют на материал. Это сказывается на долговечности. Модель из стали много весит, это приводит к дополнительному расходу топлива на прогрев самого элемента.

Чугун

Материал гораздо устойчивее к коррозии чем сталь, не боится ржавчины и действия кислотных ангидридов. Срок эксплуатации достигает 50 лет. Однако чугун – сплав хрупкий, под действием температуры может растрескиваться. Чтобы избежать повреждений, чугунный трубчатый теплообменник необходимо промывать: если используется обычная вода, то 1 раз в год; если антифриз – то 1 раз в 2 года; если дистиллированная жидкость – 1 раз в 4 года.

Вес элемента из чугуна еще больше, поэтому на нагрев приходится тратить больше топлива и времени.

Медь

Медь – благородный металл, не подверженный никаким видам коррозии. Она химически инертна, отлично переносит давление. Медь лучше проводит тепло, поэтому для нагрева самого элемента и протекающей жидкости требуется меньше топлива. Вес медной модели невелик, размеры компактны при очень развитой рабочей поверхности.

Причины выхода теплообменников из строя

Период эксплуатации определяется прежде всего тем, каким образом обеззараживается вода в городском водопроводе. На территории России применяют или чистый хлор, или двуокись хлора. Когда водяной поток, идущий по медной трубке, нагревается, это приводит к бурной химической реакции. Хлорид меди уступает чистому металлу по прочности, и потому довольно быстро появляются свищи. Больше всего повезло жителям городов, где водопроводная вода озонируется.

Рекомендуем: Карбоновый теплый пол: чем отличается от остальных

Но таких населенных пунктов еще очень мало. Дороговизна современного решения не позволяет рассчитывать на быстрое распространение озонирования. Мало того, сейчас производители начали всячески экономить. И если раньше с толстыми трубками теплообменников неприятности случались довольно редко, то теперь повсеместно используется тонкая медь низкого качества. Срок службы изделий ощутимо снизился.

Как устроены теплообменники

В большинстве случаев пластинчатый теплообменник передает энергию от нагретого теплоносителя (жидкости) в среду, которая охлаждена и требует повышения температуры. Конструкция пластинчатого теплообменника состоит из ряда разборных частей, включая:

• статичная/подвижная плиты;
• пластины;
• направляющие округлой формы;
• крепления, объединяющие плиты в целостную конструкцию.

Различаются они между собой по габаритам рам. От этого фактора зависит мощность устанавливаемого оборудования и уровень выдаваемой им теплоотдачи. Если в теплообменнике используется много пластин, это приводит к повышению продуктивности оборудования, но также сказывается на габаритах, массе установки.

Назначение

Теплообменник — устройство для передачи тепла от одной среды другой. Передача холода невозможна. Даже в холодильнике теплообменник забирает лишнее тепло, а не передает холод. Самое холодное вещество теплее абсолютного нуля. Передача осуществляется через изолирующий материал. Правила:

1. Изолирующий материал должен быть теплопроводником.
2. Не должен пропускать одну среду в другую, иначе произойдет смешивание.

Чтобы повысить эффективность первого условия, увеличивают площадь поверхности. Например, припаяв перпендикулярно к трубкам пластины. Стараются сделать стенки изолирующего материала тоньше. Ограничивает давление среды. Материал теплообменника сказывается на теплоотдаче.

Паяные теплообменники

Пластинчатые паяные теплообменники – оптимальный вариант для частных коттеджей и домов. Пластины выполнены из нержавеющей стали, а припой – из никеля или меди.

Изделия предназначены для работы в условиях при рабочей температуре -180 + 200 °С, максимальном давлении – 45 бар. Это метод организации теплого пола, системы горячего водоснабжения и отопления.

Паяный пластинчатый теплообменник подходит для горячего водоснабжения и отопления

1. Устойчивость к нагрузкам.

2. Компактные размеры.

3. Невысокая стоимость.

4. Возможность отключить систему, если нет потребности в отоплении.

Недостатки отечественных паяных теплообменников:

1. Не подходят для технологических процессов, где используются агрессивные жидкие среды с механическими примесями.

2. Соединение с помощью пайки не позволяет разобрать конструкцию для полной очистки и обслуживания.

3. Из-за небольшой толщины перегородок, скрепленных припоем, теплообменник быстро изнашивается.

4. Наличие строгих ограничений по скорости выхода в рабочий режим.

Импортным производителям удалось избавиться от ряда минусов. Иностранные паяные теплообменники могут эксплуатироваться в течение 20 лет.

Жесткая система контроля на иностранных предприятиях гарантирует отсутствие протечек в конструкции. Установки выдерживают длительные температурные нагрузки и гидравлические удары.

Теплообменник с припоем из никеля предназначен для работы с агрессивными средами; припой из меди больше востребован для организации системы кондиционирования и теплоснабжения.

Как работает битермический теплообменник

Рабочие режимы при отоплении и горячем водоснабжении имеют несколько отличий. В первом случае происходит стандартный нагрев воды в процессе сгорания газа — если речь идет о тех же газовых котлах, например. То есть в режиме отопления происходит прямой нагрев теплоносителя, который далее циркулирует по своему контуру. Что касается режима эксплуатации в формате ГВС, то эта функция в некотором роде является вторичной. Также происходит первичный нагрев теплоносителя, и уже от него тепло передается секциям с водой, предназначенной для ГВС. В этом случае не распространяют воду для отопления по соответствующим контурам — она остается в своей секции. Почти для всех битермических котлов действует одно правило — в одно и то же время работать может только один из двух контуров. Одновременная циркуляция воды для отопления и ГВС недопустима.

Использование теплообменных устройств в промышленности

Теплообменники имеют разнообразное технологическое значение. Можно разделить все модели на две большие категории:

• теплообменные устройства, в которых основной процесс – передача тепла;
• теплообменные устройства, в которых охлаждение, конденсация, пастеризация и иные процессы – основные, а передача тепловой энергии выступает в качестве сопутствующего компонента.

По основному применению модели классифицируют на группы:

• конденсаторы;
• подогреватели;
• холодильники;
• испарители.

Их применение широко востребовано в разных отраслях промышленности. Внедрение в технологический процесс прибора позволяет значительно ускорить работу и увеличить эффективность.

Варианты кожухотрубных теплообменников

Сегодня можно найти большое количество вариантов исполнения кожухотрубных теплообменников. Производители стараются предложить покупателю самый лучший и эффективный вариант, полностью отвечающий задачам, поставленными пользователями. Но все теплообменники данного типа можно поделить на три категории:

• Прямоточные;
• Противоточные;
• Перекрёстноточными.

Согласно названиям, в теплообменнике выполняется направление движения сред, участвующих в передаче температуры. Большого увеличения эффективности способ подачи теплоносителя не даёт, но благодаря этому изменяется конструкция кожухотрубного теплообменника, что позволяет расположить само устройство на месте установки.

Кожухотрубные теплообменники могут изготавливаться как для горизонтальной установки, так и для вертикальной. Но какой способ размещения не был бы выбран, строение устройства будет предполагать:

• Прямое расположение труб внутри теплообменника;
• Расположение труб в виде змеевика.

Разница между двумя типами теплообменников заключается в количестве трубных решёток. В первом случае их устанавливается две штуки, а у варианта со змеевиком такое приспособление будет только одно. От этого расположения зависит и количество выходов из устройства, по которым будет двигаться теплоноситель, наполняющий кожухотрубный теплообменник.

Что касается скорости передвижения, то она зависит только от количества труб, установленных внутри корпуса теплообменника. Большое количество элементов позволяют значительно увеличить площадь теплообмена, а значит, существенно повысить эффективность агрегата. Помимо этого, подобные устройства должны выдерживать большое давление, с которым подаётся теплоноситель. Для этого корпус теплообменника может иметь толщину 4 мм и больше. Стенки труб, которыми наполнено устройство, также должны соответствовать рабочему давлению.

Классификация печей-каминов

На современном рынке представлено огромное количество самых разных моделей печей-каминов. Все эти конструкции – это печи со встроенным теплообменником, поэтому для выбора подходящего варианта используются другие параметры, например, тип используемого топлива или номинальная мощность.Самые популярные печи-камины:

1. Печи-камины «Викинг» . Одни из наиболее эффективных типов печей. Обладают потрясающей скоростью прогрева помещения, вне зависимости от его габаритов. В качестве топлива используются дрова или бурый уголь. Единственный недостаток: «Викинги» отказываются работать с каменным углем.
2. Печи-камины на пеллетах . Как следует из названия, эти печи «питаются» не привычными дровами или углем, а пеллетами. Пеллет – это вид топлива, который отличается экологической чистотой и выпускается в гранулах. Изготавливается из отходов деревообрабатывающей промышленности методом прессовки. Такое топливо не представляет никакой опасности для окружающей среды и обходится очень дешево, чем и обуславливается его высокая популярность. Кроме того, пеллеты не будут чадить в доме, поэтому к их плюсам можно отнести и повышенный комфорт.
3. Печи-камины «Кедди» . Конструкция шведского происхождения, выпускается в двух вариантах: угловом и пристенном. Печки обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогами: во-первых, их дизайн значительно превосходит другие конструкции. Во-вторых, «Кедди» обладают небольшим весом, поэтому им не нужен фундамент, да и процесс установки будет значительно упрощен. Подключение к дымоходу и система каналов тоже довольно просты, потому-то эти системы так популярны.
4. Варочная печь с камином . Основной отличительной особенностью этих конструкций является функциональность. Такие печки отлично подходят для готовки, греют дом и при этом приятно выглядят. Свою популярность эти комбинированные печки заслужили именно за эти качества, которые позволяют реализовать широкий круг задач и при этом мысленно вернуться в прошлое, когда открытый огонь был основным способом готовки и обогрева.
5. Печи-камины «Байкал» . Этот вариант чаще всего используется в загородных домах. Данная модель крайне эффективна, а при необходимости более точного выбора можно рассмотреть весь модельный ряд. Используемое топливо – дрова. Основная характеристика таких печей – невероятно долгая сохранность тепла даже при давно потухшем огне.

Заключение В данной статье были рассмотрены виды теплообменников и их классификация. Теперь изготовить теплообменник для печи своими руками не будет составлять особых проблем

Для большей наглядности можно обратить внимание на фото, где показаны теплообменники и особенности их производства

Принцип работы

Теплообменники для приготовления воды ГВС работают по бесконтактному принципу. Устройство их может быть разным, но принцип действия не отличается — работают они по принципу теплопередачи. Есть нагретый теплоноситель (в данном случае из системы отопления), который подается в  трубы/каналы теплообменника. Горячий теплоноситель отдает часть тепла трубкам, по которым течет. По другим, параллельно расположенным каналам, течет вода, которую необходимо нагреть. Контактируя с нагретыми теплоносителем стенками, она нагревается. Именно так и работает теплообменник для горячей воды от отопления.

Принципиальная схема использования теплообменника для подготовки горячей воды от отопления

Чтобы нагрев был эффективным, теплообменник должен быть сделан из материала с высокой теплопроводностью. Обычно это металлы — медь, нержавеющая сталь. Медь — дорогой металл, но имеет отличную теплопроводность. Нержавеющая сталь хуже проводит тепло, но за счет прочности стенки могут быть очень тонкими, что делает такие теплообменники тоже эффективными.

Для чего нужны

Данный прибор необходим для передачи тепловой энергии из одной среды в другую не только в системе отопления. В этом и лежит основная функция теплообменника. Но зачастую аппарат используют именно в котельных, чтобы горячая вода из труб быстрее перекачивалась и передавалась в другой источник тепла. Теплообменники используются в различных сферах общественной жизни:

• коммунальное ресурсоснабжение;
• энергетическая отрасль;
• нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность;
• химическая деятельность;
• атомная сфера;
• газовое ресурсоснабжение.

Устройство помогает осуществлять теплообменные процессы. При выборе теплообменного оборудования необходимо определиться со сферой применения. От нее и будет зависеть вид прибора, который нужно будет приобрести. Ведь у каждого свои характеристики, от которых зависит мощность обогрева.