Návrhy výměníků ... aneb jak vyrobit levné topení

Účinnost spotřeby energie bude zcela záviset na schopnosti topné jednotky akumulovat teplo. To se provádí a závisí na konstrukci výměníků tepla. Čím lépe je tato část topného zařízení vybrána, tím dostupnější vytápění se ve vaší domácnosti stane.

Tepelný výměník je okruh, ve kterém se energie paliva přenáší do chladicí kapaliny dodávané do baterií. Jinými slovy, vezmeme-li si jako příklad kotel na pelety, teplo vznikající při spalování ve formě kouře prochází trubkovým výměníkem, který odebírá teplo zplodinám spalování.

Účinnost vytápění závisí na mnoha parametrech, ale hlavním prvkem je výměník tepla a jeho konstrukce. Přenos tepla je přímo úměrný kontaktní ploše. Z tohoto důvodu návrh předpokládá maximální zvýšení této charakteristiky.

 

Typy konstrukcí výměníků tepla a jejich role v levném vytápění

V topných zařízeních se používají dva typy výměníků tepla:

• povrch, ve kterém se přenos tepla mezi médii provádí společnou výměnnou plochou - obvykle prázdnou kovovou stěnou;
• směšovací výměníky tepla, ve kterých dochází k přenosu tepla při kontaktu médií.

Méně často se používají různé regenerační výměníky tepla a rekuperátory, ve kterých dochází k ohřevu nosiče tepla díky povrchovému kontaktu s dříve zahřátými konstrukcemi. Například s tryskou, která je ohřívána jinou chladicí kapalinou. Tato konstrukce sekundárního přenosu tepla je typická pro vyrovnávací nádrže, které se doporučují instalovat do kotlů na tuhá paliva (ne na pelety).

Nejčastěji se používají povrchové výměníky tepla, jejichž typy a tvary mají značné rozdíly. Existují také standardní provedení, normalizovaná podle parametrů a norem.

Existují konstrukční typy výměníků tepla, které mají významné rozdíly a liší se v principu přenosu tepla:

• trubkový;
• lamelární;
• spirála;
• cívky a další málo použitelné.

 

Materiály pro výměníky tepla

Pro výměnu tepla různými médii je vhodné volit materiál s vysokým prostupem tepla a schopností akumulovat tepelnou energii. Měď je považována za nejvhodnější, ale měděné výměníky tepla jsou poměrně vzácné kvůli jejich vysoké ceně. Typicky jsou takové struktury vyrobeny z uhlíku a slitinových kovů, méně často z titanu a tantalu, což je typičtější pro průmyslové jednotky.

Specializovaná tepelná ocel se na Ukrajině nevyrábí, železný kov z uhlíkové oceli je považován za nejlepší volbu, protože nerezová ocel neposkytuje maximální výkon, ale je dražší.

Navzdory poměrně velkému počtu normalizovaných konstrukcí výměníků tepla se upřednostňují jednoduché a snadno čistitelné prvky topných zařízení, jakož i konstrukce, které vyžadují pohodlnou instalaci a poskytují snadný přístup k povrchu výměny tepla.

Velmi nestandardním výměníkem tepla, ale široce používaným v každodenním životě, je keramická cihla nebo jakýkoli jiný kámen. To jsou materiály, ze kterých se od pradávna stavěla kamna. Kromě primárního přenosu tepla při spalování keramika kamen nebo kámen krbového tělesa dobře akumuluje teplo a zajišťuje dlouhodobý ohřev vzduchových hmot v okolí kamen, jde vlastně o velkoplošné sekundární promíchávání výměník tepla.

Z toho vyplývá, že výměník tepla při kontaktu se zplodinami spalování může být kontaminován, což má za následek snížení přenosu tepla a přenosu tepla mezi výměnnými médii. Návrhy poloprůmyslových topných zařízení, např. kotle na tuhá paliva TM "Focus" s dveřním adaptérem pro hořáky na pelety znamená čištění výměníku tepla od sazí třepáním nebo použitím pneumatického systému během automatického čištění.

Je také nutné vzít v úvahu skutečnost, že účinnost využití paliva závisí na teplotě jeho spalování, účinnosti spalování primárních produktů spalování. Čím lépe je palivo spáleno, čím levnější vytápění získáte, tím bezpečnější jsou emise do atmosféry.

 

Trubkové výměníky tepla

Plášťové a trubkové okruhy výměny tepla

Jedná se o nejpoužívanější výměníky v průmyslových a poloprůmyslových kotlích, včetně domácí třídy na plyn a tuhá paliva. Na obrázku je znázorněno základní provedení, které zahrnuje pouzdro (pouzdro) a k němu přivařený svazek trubek. V takovém výměníku tepla se jedno médium, obvykle chladicí kapalina, pohybuje uvnitř potrubí (obvykle voda), druhé - v médiu mezi trubkami (obvykle vzduch).

Charakteristickým rysem tohoto typu výměníků tepla je protiproud média. V tomto případě je zajištěn maximální přenos tepla. Je to způsobeno směrem, kterým se teplosměnné médium přirozeně pohybuje, když se v podmínkách ohřevu mění hustota a klesá jeho teplota.

Protiproud také zajišťuje rovnoměrné rozložení rychlostí a podmínek přenosu tepla úměrné ploše průřezu trubky ze svazku. Při alternativním proplachování trubkového prvku, v případě přívodu teplé nebo studené vody, se bude hromadit v jedné z částí trámového tepelného výměníku, nahoře nebo dole, a vytvoří "stagnační zóny".

Umístění trubek ve svazku má také důsledky pro přenos tepla. Obvykle jsou umístěny ve vrcholech šestiúhelníku nebo podél soustředných kružnic (méně často). Pokud je požadováno pohodlné čištění teplosměnné plochy, jsou trubky umístěny ve svazku podél vrcholů obdélníku (umístění koridoru).

Trubky jsou upevněny nálevkami bez použití různých závitových spojů (povolené u domácích kotlů). Nejpevnější spojení je však zajištěno v otvorech s prstencovými drážkami, které jsou při rozšiřování vyplněny trubkovým materiálem. V některých případech jsou trubky upevněny svařováním. Jsou povoleny jiné typy připojení potrubí, včetně pájení. Pájete hlavně měděné a mosazné trubky.

Alternativou je upevnění pomocí vývodek, což znamená rychlou výměnu. Zapojení je však složité, cenově neopodstatněné a nespolehlivé.

Konstrukce tohoto typu výměníků tepla jsou jedno- a dvoucestné. Jednoprůchodové výměníky tepla mají nízkou rychlost pohybu chladicí kapaliny, to znamená, že přenos tepla je poměrně nízký. To je typické pro gravitační systémy bez čerpadla. Chcete-li zvýšit přenos tepla v takových systémech, zvyšte délku potrubí a zmenšete průměr. Takové konstrukce nejsou příliš vhodné, proto se používá alternativní verze - víceprůchodové výměníky tepla.

Víceprůchodové elektronky ve svazku jsou vhodnější pro průmyslovou výrobu, protože vyžadují přítomnost příčných přepážek v dutině trubky. Takové sekční trámové trubky mohou být vyrobeny zkušenými řemeslníky. Mějte na paměti, že rozdělení musí být ve všech potrubích stejné a musí být stejný počet zdvihů, aby byly zajištěny stejné parametry přenosu tepla.

Díky konstrukci se průtok kapaliny ve víceprůchodových výměnících tepla zvyšuje (v počtu průchodů) se stejnými indikátory ohřívače a díky efektivnímu odběru tepla získáte levné vytápění. Ve víceprůchodových konstrukcích výměníků tepla se používají přepážky, které zároveň slouží jako podpěry pro svazek trubek.

Je třeba vzít v úvahu, že zvýšení intenzity přenosu tepla přispívá ke zvýšení odporu média, což znamená složitější návrh přenosu tepla, který lze získat pouze pomocí speciálních výpočtů. Ekonomicky schůdný počet tahů obvykle nepřesahuje 5-6. Chladivo pro takové výměníky tepla musí být speciálně připraveno, aby z kapaliny odstranilo kyslík a nekondenzovatelné plyny. K odstranění ucpání se používají proplachovací ventily.

Horizontální výměníky tepla jsou populárnější, pracují v průmyslových topných systémech při vysokých rychlostech a eliminují stratifikaci kapalin, ke které dochází v důsledku teplotních a hustotních rozdílů, a také eliminují tvorbu stagnujících zón.

Pro vytvoření určitého napětí a dosažení dané rychlosti jsou trubky svazku a pláště protaženy nestejnoměrně. Plášťové a trubkové výměníky tepla mohou být navrženy s kompenzačními zařízeními: čočkový kondenzátor, plovoucí hlava, U-trubice. To se provádí za účelem snížení deformací potrubí spojených s teplotním rozdílem mezi potrubím a pláštěm, délkou potrubí, rozdílem v materiálu potrubí a pláště, včetně kompenzace nadměrného tlaku. Přestože jsou složité okruhy výměníků tepla účinné, je obtížné je čistit.

Takové teplosměnné okruhy jsou standardizovány podle DSTU 9929-67.

 

Prvek výměníky tepla

Tento typ výměníků tepla se řídí modulárním principem. Teplosměnný okruh se skládá z jednotlivých topných těles, z nichž každé je trubkový okruh. Výhodou tohoto provedení je zjednodušení výroby teplosměnného okruhu oproti vícetahové verzi, snadná montáž a čištění za provozu, zvýšení rychlosti cirkulace chladiva spolu s vyšším přenosem tepla.

Tento typ okruhu není vhodný pro velké kotelny, protože se výrazně zvětšuje velikost zařízení.

Výměníky tepla typu "trubka v potrubí" (dvoutrubkové)

Dvoutrubkové výměníky tepla jsou konstrukce „potrubí v potrubí“, chladivo se v nich pohybuje ve vnitřním i vnějším potrubí a zajišťuje postupný přenos a odvod tepla. Vnitřní prvky typu "potrubí v potrubí" jsou spojeny "kalachi", vnější - odbočkami.

Vysoká rychlost pohybu tekutiny je zajištěna malými průřezy 1–1,5 m/s. Toto provedení je vhodné zejména pro kotle s vysokými provozními tlaky. V případě požadavku na větší teplovodnou plochu se tepelné výměníky tohoto typu vyrábějí v několika úsecích trubka v trubce.

Deskové výměníky tepla

Tento typ výměníku využívá vlnité paralelní desky, které vytvářejí systém úzkých kanálů o šířce pouhých 3-6 mm. Tato vlastnost činí deskový výměník tepla účinnější než trubkový výměník tepla. Tekutiny se pohybují v kanálech mezi sousedními deskami. Díky tomu jsou možné vysoké koeficienty prostupu tepla až 3800 W/m2 [3000 kcal/(m2 h deg)] i při velmi nízkém odporu proudění. Tyto výměníky tepla nejsou určeny pro vysokotlaký provoz.

Konstrukce výměníku s žebrovaným tělem

Žebrované teplosměnné okruhy patří mezi nejúčinnější. Toto provedení výměníku je vhodné pro chladivo s nízkou hodnotou přestupu tepla (plyny a viskózní kapaliny).

 

Konstrukce výměníků tepla

Jedná se o speciální typ výměníků tepla používaných v topných zařízeních, kde je možné kolísání režimu. V tomto provedení je teplosměnný okruh realizován pomocí spirálové spirály s trubkami 15-75 mm, která je umístěna v kapalině. Koeficient prostupu tepla je poměrně nízký kvůli nízké rychlosti kapaliny. Teplo se přenáší volnou konvekcí. Otáčky jsou zvýšeny konstrukcí vnitřního pláště ve skříni a samotné výměníky tepla pracují při nízkém tepelném zatížení. Navzdory své nízké účinnosti jsou spirálové výměníky tepla široce používány díky jejich jednoduché konstrukci, nízké ceně, snadné opravě a čištění.

Takové konstrukce výměníků tepla fungují úspěšně za podmínek vysokého tlaku a v chemickém prostředí, ale používají se pro vytápění ploch do 10-15 metrů čtverečních. m

Tento typ teplosměnného okruhu je oblíbený v aplikacích, kde se k vytápění používá pára. V tomto případě poměr délky cívky k průměru nepřesahuje určitou mez, ale závisí na tlaku. Například koeficient 200-275 se použije při tlacích páry 2-5 atmosfér, jinak se ve spodní části výměníku bude hromadit kondenzát páry, což přispěje ke ztrátě účinnosti.

 

Spirálový typ teplosměnných okruhů

Pro výrobu spirálového výměníku se používají dva plechy, které jsou spirálovitě složeny. Vnitřní konce jsou přivařeny k prázdné stěně a vnější konce jsou navzájem spojeny svařováním. Vznikají tak dva izolované spirálové kanály s velkou teplosměnnou plochou.

Výhodou tohoto typu výměníků tepla je kompaktnost při zajištění vysoké rychlosti pohybu chladiva. Používají se pro ohřev plynů a kondenzaci par a mohou pracovat při zvýšených tlacích, ale obvykle ne vyšších než 10 atmosfér. Slabou stránkou tohoto typu výměníků jsou spoje, pro dosažení nejlepší výstupní kvality se používá DSTU 12067-66.

 

Nakonec…

Z tohoto přehledu můžete vidět, jaké jsou konstrukce výměníků tepla, aby se maximalizoval přenos tepla. Nejpoužívanější v topných zařízeních jsou trubkové a deskové výměníky tepla. Konstrukce ze skořepin a trubek jsou poměrně cenově dostupné pro vlastní výrobu. Je ale nutné vzít v úvahu účinnost přenosu tepla a obecnou zásadu: čím větší kapacita a průřez výměníku tepla, tím nižší je rychlost tekutiny a tím nižší je přenos tepla.

Promyšlená konstrukce výměníku, odpovídající parametrům spalování paliva, disponují kotle na tuhá paliva TM "Focus", který lze provozovat ve dvou režimech: při topení dřevem a uhlím, nebo s hořákem na pelety, který se instaluje do speciálního dveřního adaptéru. I přes použití de facto technologie na tuhá paliva je vytápění peletami zcela autonomní a automatizované díky automatickému dodávání palivových pelet a zpracování stavů kotle mikrokontrolérem polské výroby.