Designs von Wärmetauschern ... oder wie man günstig heizt

Die Effizienz des Energieverbrauchs hängt vollständig von der Fähigkeit der Heizeinheit ab, Wärme zu speichern. Dies erfolgt und hängt von der Auslegung der Wärmetauscher ab. Je besser dieser Teil des Heizgerätes gewählt ist, desto günstiger wird das Heizen in Ihrem Zuhause.

Der Wärmetauscher ist ein Kreislauf, in dem die Energie des Kraftstoffs auf das den Batterien zugeführte Kühlmittel übertragen wird. Mit anderen Worten, nehmen wir als Beispiel einen Pelletskessel, durchläuft die bei der Verbrennung entstehende Wärme in Form von Rauch einen Röhrenwärmetauscher, der den Verbrennungsprodukten Wärme entzieht.

Die Effizienz der Heizung hängt von vielen Parametern ab, aber das Hauptelement ist der Wärmetauscher und seine Konstruktion. Die Wärmeübertragung ist direkt proportional zur Kontaktfläche. Aus diesem Grund geht die Auslegung von der maximalen Steigerung dieser Kennlinie aus.

 

Arten von Wärmetauscherkonstruktionen und ihre Rolle beim kostengünstigen Heizen

Es gibt zwei Arten von Wärmetauschern, die in Heizgeräten verwendet werden:

• Oberfläche, bei der die Wärmeübertragung zwischen Medien über eine gemeinsame Austauschfläche erfolgt - normalerweise eine blanke Metallwand;
• Mischwärmetauscher, bei denen beim Kontakt der Medien Wärme übertragen wird.

Seltener kommen verschiedene regenerative Wärmetauscher und Rekuperatoren zum Einsatz, bei denen der Wärmeträger durch Oberflächenkontakt mit zuvor erwärmten Strukturen erwärmt wird. Zum Beispiel mit einer Düse, die von einem anderen Kühlmittel beheizt wird. Dieses sekundäre Wärmeübertragungsdesign ist typisch für Pufferspeicher, die für Festbrennstoffkessel (keine Pellets) empfohlen werden.

Am häufigsten werden Oberflächenwärmetauscher verwendet, deren Typen und Formen erhebliche Unterschiede aufweisen. Es gibt auch Standarddesigns, die durch Parameter und Standards normalisiert sind.

Es gibt Bauarten von Wärmetauschern, die wesentliche Unterschiede aufweisen und sich im Prinzip der Wärmeübertragung unterscheiden:

• röhrenförmig;
• lamellar;
• Spiral;
• Spulen und andere von geringem Nutzen.

 

Materialien für Wärmetauscher

Für den Wärmeaustausch durch verschiedene Medien ist es ratsam, ein Material mit hoher Wärmeübertragung und der Fähigkeit, Wärmeenergie zu speichern, zu wählen. Kupfer gilt als am besten geeignet, aber Kupferwärmetauscher sind aufgrund ihrer hohen Kosten eher selten. Typischerweise bestehen solche Strukturen aus Kohlenstoff und Legierungsmetallen, seltener aus Titan und Tantal, was eher für industrielle Einheiten typisch ist.

Spezialisierter thermischer Stahl wird in der Ukraine nicht hergestellt, Eisenmetall aus Kohlenstoffstahl gilt als die beste Wahl, da Edelstahl keine maximale Leistung bietet, aber teurer ist.

Trotz der relativ großen Anzahl normalisierter Wärmetauscherkonstruktionen werden einfache und leicht zu reinigende Elemente von Heizgeräten sowie Konstruktionen bevorzugt, die eine bequeme Installation implizieren und einen einfachen Zugang zur Wärmetauscherfläche ermöglichen.

Ein sehr ungewöhnlicher Wärmetauscher, der jedoch im Alltag weit verbreitet ist, ist ein Keramikziegel oder ein anderer Stein. Dies sind die Materialien, aus denen seit der Antike Öfen gebaut wurden. Neben der primären Wärmeübertragung bei der Verbrennung speichert die Keramik des Ofens oder der Stein des Kaminkörpers die Wärme gut und sorgt für eine langfristige Erwärmung der Luftmassen um den Ofen herum, was in der Tat eine großflächige sekundäre Mischung ist Wärmetauscher.

Daraus folgt, dass der mit den Verbrennungsprodukten in Kontakt stehende Wärmetauscher verunreinigt werden kann, was zu einer Abnahme der Wärmeübertragung und der Wärmeübertragung zwischen den Austauschmedien führt. Konstruktionen von halbindustriellen Heizgeräten, zum Beispiel, Festbrennstoffkessel TM „Focus“ mit Türadapter für Pelletbrenner Implizieren Sie die Reinigung des Wärmetauschers von Ruß durch Schütteln oder Verwenden eines pneumatischen Systems während der automatischen Reinigung.

Es ist auch zu berücksichtigen, dass die Effizienz der Brennstoffnutzung von der Verbrennungstemperatur und der Effizienz der Verbrennung der primären Verbrennungsprodukte abhängt. Je besser der Brennstoff verbrannt wird, desto günstiger wird geheizt, desto sicherer sind die Emissionen in die Atmosphäre.

 

Röhrenwärmetauscher

Rohrbündelwärmetauscherkreisläufe

Dies sind die am häufigsten verwendeten Wärmetauscher in industriellen und halbindustriellen Kesseln, einschließlich der Gas- und Festbrennstoff-Haushaltsklasse. Die Abbildung zeigt die Grundkonstruktion, die ein Gehäuse (Mantel) und ein daran angeschweißtes Rohrbündel umfasst. In einem solchen Wärmetauscher bewegt sich ein Medium, normalerweise ein Kühlmittel, im Rohr (normalerweise Wasser), das zweite - im Medium zwischen den Rohren (normalerweise Luft).

Ein Merkmal dieser Art von Wärmetauschern ist der Gegenstrom der Medien. In diesem Fall ist eine maximale Wärmeübertragung gewährleistet. Dies liegt an der Richtung, in die sich das Wärmeaustauschmedium natürlich bewegt, wenn sich die Dichte unter Erwärmungsbedingungen ändert und seine Temperatur abnimmt.

Der Gegenstrom sorgt auch für eine gleichmäßige Verteilung von Geschwindigkeiten und Wärmeübertragungsbedingungen proportional zur Querschnittsfläche des Rohrs aus dem Bündel. Bei einer alternativen Spülung des Rohrelements sammelt es sich bei Warm- oder Kaltwasserzufuhr in einem der Teile des Balkenwärmetauschers oben oder unten und bildet "Stagnationszonen".

Die Platzierung der Rohre im Bündel hat auch Auswirkungen auf die Wärmeübertragung. Normalerweise werden sie an den Ecken eines Sechsecks oder entlang konzentrischer Kreise (seltener) platziert. Wenn eine bequeme Reinigung der Wärmetauscherfläche erforderlich ist, werden die Rohre in einem Bündel entlang der Eckpunkte eines Rechtecks angeordnet (Korridoranordnung).

Die Rohre werden durch Aufweiten befestigt, wodurch verschiedene Gewindebefestigungen vermieden werden (erlaubt in Haushaltskesseln). Die stärkste Verbindung wird jedoch in Löchern mit Ringnuten geschaffen, die beim Bördeln mit Rohrmaterial gefüllt werden. In einigen Fällen werden Rohre durch Schweißen befestigt. Andere Arten von Rohrverbindungen sind zulässig, einschließlich Löten. Löten Sie hauptsächlich Kupfer- und Messingrohre.

Eine Alternative ist die Befestigung mit Verschraubungen, was einen schnellen Austausch impliziert. Allerdings ist die Verbindung aufwändig, preislich nicht gerechtfertigt und unzuverlässig.

Die Konstruktionen dieser Art von Wärmetauschern sind Ein- und Zweiwege. Single-Pass-Wärmetauscher haben eine geringe Bewegungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, dh die Wärmeübertragung ist ziemlich gering. Dies ist typisch für Gravitationssysteme ohne Pumpe. Um die Wärmeübertragung in solchen Systemen zu erhöhen, verlängern Sie die Rohre und verringern Sie den Durchmesser. Solche Konstruktionen sind nicht sehr praktisch, daher wird eine alternative Version verwendet - Wärmetauscher mit mehreren Durchgängen.

Rohre mit mehreren Durchgängen in einem Bündel sind besser für die industrielle Produktion geeignet, da sie das Vorhandensein von Querleitblechen im Rohrhohlraum erfordern. Solche Bündelbündelrohre können von erfahrenen Handwerkern hergestellt werden. Beachten Sie, dass die Aufteilung in allen Rohren gleich sein muss und die gleiche Anzahl von Hüben vorhanden sein muss, um die gleichen Wärmeübertragungsparameter zu gewährleisten.

Aufgrund der Konstruktion erhöht sich die Durchflussrate der Flüssigkeit in Wärmetauschern mit mehreren Durchgängen (in Bezug auf die Anzahl der Durchgänge) bei gleichen Indikatoren des Erhitzers, und Sie erhalten eine kostengünstige Heizung aufgrund einer effizienten Wärmeentnahme. Bei mehrgängigen Wärmetauschern werden Stromstörer eingesetzt, die gleichzeitig als Stützen für das Rohrbündel dienen.

Es ist zu berücksichtigen, dass eine Erhöhung der Intensität der Wärmeübertragung zu einer Erhöhung des Widerstands des Mediums beiträgt, was eine komplexere Auslegung der Wärmeübertragung impliziert, die nur durch spezielle Berechnungen erhalten werden kann. Die wirtschaftlich vertretbare Anzahl von Zügen übersteigt in der Regel 5-6 nicht. Das Kühlmittel für solche Wärmetauscher muss speziell aufbereitet werden, um Sauerstoff und nicht kondensierbare Gase aus der Flüssigkeit zu entfernen. Spülventile werden verwendet, um Verstopfungen zu beseitigen.

Beliebt sind horizontale Wärmetauscher, die in industriellen Heizungsanlagen mit hohen Drehzahlen arbeiten und die durch Temperatur- und Dichteunterschiede entstehende Schichtung von Flüssigkeiten sowie die Bildung von Stagnationszonen beseitigen.

Um eine bestimmte Spannung zu erzeugen und eine bestimmte Geschwindigkeit zu erreichen, werden die Rohre des Bündels und des Gehäuses ungleich verlängert. Rohrbündelwärmetauscher können mit Ausgleichseinrichtungen ausgeführt werden: Linsenkondensator, Schwimmkopf, U-Rohre. Dies geschieht, um Rohrverformungen zu reduzieren, die mit dem Temperaturunterschied zwischen den Rohren und dem Gehäuse, der Länge der Rohre, dem Unterschied in den Rohr- und Gehäusematerialien verbunden sind, einschließlich des Ausgleichs von Überdruck. Obwohl effizient, sind komplexe Wärmetauscherkreisläufe schwierig zu reinigen.

Solche Wärmetauscherkreisläufe sind nach DSTU 9929-67 genormt.

 

Elementwärmetauscher

Diese Art von Wärmetauschern folgt dem Baukastenprinzip. Der Wärmetauscherkreislauf besteht aus einzelnen Heizelementen, die jeweils ein Rohrbündelkreislauf sind. Der Vorteil dieser Konstruktion ist die Vereinfachung der Herstellung des Wärmetauscherkreislaufs gegenüber der Multi-Pass-Version, eine einfache Installation und Reinigung während des Betriebs, eine Erhöhung der Kühlmittelumwälzungsrate sowie eine höhere Wärmeübertragung.

Diese Art der Schaltung ist nicht für große Heizräume geeignet, da die Größe der Geräte erheblich zunimmt.

Wärmetauscher vom Typ „Rohr in Rohr“ (Zweirohr)

Zweirohrwärmetauscher sind ein „Rohr-in-Rohr“-Design, das Kühlmittel bewegt sich in ihnen sowohl in den Innen- als auch in den Außenrohren und sorgt für eine schrittweise Wärmeübertragung und -abfuhr. Die inneren Elemente des Typs "Rohr in Rohr" sind durch "Kalachi" verbunden, die äußeren - durch Abzweigrohre.

Die hohe Geschwindigkeit der Fluidbewegung wird durch kleine Querschnitte von 1–1,5 m/s gewährleistet. Diese Ausführung eignet sich besonders für Kessel mit hohen Betriebsdrücken. Wird eine größere Wärmeleitfläche benötigt, werden derartige Wärmetauscher in mehreren Rohr-in-Rohr-Abschnitten ausgeführt.

Plattenwärmetauscher

Dieser Wärmetauschertyp verwendet gewellte parallele Platten, wodurch ein System schmaler Kanäle mit einer Breite von nur 3-6 mm entsteht. Diese Eigenschaft macht einen Plattenwärmetauscher effizienter als einen Röhrenwärmetauscher. Flüssigkeiten bewegen sich in Kanälen zwischen benachbarten Platten. Dadurch sind auch bei sehr geringem Strömungswiderstand hohe Wärmedurchgangskoeffizienten von bis zu 3800 W/m2 [3000 kcal/(m2 h deg)] möglich. Diese Wärmetauscher sind nicht für den Hochdruckbetrieb ausgelegt.

Rippenkörper-Wärmetauscher-Design

Berippte Wärmetauscherkreisläufe gehören zu den effizientesten. Diese Ausführung des Wärmetauschers ist geeignet für Kühlmittel mit niedrigem Wärmeübergangswert (Gase und viskose Flüssigkeiten).

 

Spulenkonstruktionen von Wärmetauschern

Dies ist eine spezielle Art von Wärmetauschern, die in Heizgeräten verwendet werden, wo Schwankungen im Regime möglich sind. Bei dieser Konstruktion wird der Wärmetauscherkreislauf mit einer Spiralschlange mit Rohren von 15-75 mm realisiert, die in eine Flüssigkeit eingelegt wird. Der Wärmeübergangskoeffizient ist aufgrund der geringen Geschwindigkeit der Flüssigkeit ziemlich niedrig. Wärme wird durch freie Konvektion übertragen. Durch die Gestaltung der Innenschale im Gehäuse werden die Drehzahlen erhöht und die Wärmetauscher selbst arbeiten mit geringer thermischer Belastung. Trotz ihres geringen Wirkungsgrads werden Schlangenwärmetauscher aufgrund ihres einfachen Designs, ihrer geringen Kosten, ihrer einfachen Reparatur und Reinigung weit verbreitet verwendet.

Solche Konstruktionen von Wärmetauschern arbeiten erfolgreich unter Hochdruckbedingungen und in chemischen Umgebungen, werden jedoch zum Heizen von Oberflächen bis zu 10–15 Quadratmetern verwendet. m.

Diese Art von Wärmetauscherkreislauf ist in Anwendungen beliebt, in denen Dampf zum Heizen verwendet wird. Dabei überschreitet das Verhältnis der Länge der Wendel zum Durchmesser eine bestimmte Grenze nicht, sondern ist druckabhängig. Beispielsweise wird ein Koeffizient von 200-275 bei Dampfdrücken von 2-5 Atmosphären angewendet, da sich sonst Dampfkondensat im unteren Teil der Spule ansammelt, was zu einem Effizienzverlust beiträgt.

 

Spiralförmige Wärmetauscherkreisläufe

Zur Herstellung eines Spiralwärmetauschers werden zwei Bleche verwendet, die spiralförmig gefaltet werden. Die inneren Enden werden an eine leere Wand geschweißt, und die äußeren Enden werden durch Schweißen miteinander verbunden. Dadurch entstehen zwei isolierte Spiralkanäle mit großer Wärmeübertragungsfläche.

Der Vorteil dieser Art von Wärmetauschern ist die Kompaktheit bei gleichzeitig hoher Bewegungsgeschwindigkeit des Kühlmittels. Sie werden zum Erhitzen von Gasen und zum Kondensieren von Dämpfen verwendet und können bei erhöhten Drücken betrieben werden, normalerweise jedoch nicht höher als 10 Atmosphären. Anschlüsse sind der Schwachpunkt dieser Art von Wärmetauschern; DSTU 12067-66 wird verwendet, um die beste Ausgabequalität zu erreichen.

 

Zusammenfassend…

Aus dieser Übersicht können Sie entnehmen, wie Wärmetauscher konstruiert sind, um die Wärmeübertragung zu maximieren. Die am besten geeigneten Heizgeräte sind Röhren- und Plattenwärmetauscher. Rohrbündelkonstruktionen sind für die Eigenproduktion durchaus erschwinglich. Es ist jedoch notwendig, die Effizienz der Wärmeübertragung und das allgemeine Prinzip zu berücksichtigen: Je größer die Kapazität und der Querschnitt des Wärmetauschers, desto geringer die Flüssigkeitsgeschwindigkeit und desto geringer die Wärmeübertragung.

Eine durchdachte Konstruktion des Wärmetauschers, entsprechend den Verbrennungsparametern des Brennstoffs, aufweisen Festbrennstoffkessel TM "Focus", die in zwei Modi betrieben werden kann: mit Holz und Kohle beheizt oder mit einem Pelletbrenner, der in einem speziellen Türadapter eingebaut wird. Trotz der Verwendung von De-facto-Festbrennstofftechnologie ist die Pelletheizung aufgrund der automatischen Zufuhr von Brennstoffpellets und der Verarbeitung der Kesselzustände durch einen in Polen hergestellten Mikrocontroller vollständig autonom und automatisiert.