Projekty wymienników ciepła…, czyli jak tanio wykonać ogrzewanie

Efektywność zużycia energii będzie całkowicie zależała od zdolności akumulacji ciepła przez urządzenie grzewcze. Odbywa się to i zależy od konstrukcji wymienników ciepła. Im lepiej wybrana jest ta część urządzenia grzewczego, tym tańsze staje się ogrzewanie w Twoim domu.

Wymiennik ciepła to obwód, w którym energia paliwa przekazywana jest do płynu chłodzącego dostarczanego do akumulatorów. Innymi słowy, jeśli weźmiemy za przykład kocioł na pelety, ciepło wytwarzane podczas spalania w postaci dymu przechodzi przez rurowy wymiennik ciepła, który odbiera ciepło z produktów spalania.

Sprawność ogrzewania zależy od wielu parametrów, ale głównym elementem jest wymiennik ciepła i jego konstrukcja. Przenikanie ciepła jest wprost proporcjonalne do powierzchni styku. Z tego powodu projekt zakłada maksymalny wzrost tej cechy.

 

Rodzaje konstrukcji wymienników ciepła i ich rola w tanim ogrzewaniu

W urządzeniach grzewczych stosowane są dwa rodzaje wymienników ciepła:

• powierzchnia, w której wymiana ciepła między ośrodkami odbywa się poprzez wspólną powierzchnię wymiany – zwykle pustą metalową ściankę;
• mieszające wymienniki ciepła, w których ciepło jest przekazywane podczas kontaktu mediów.

Rzadziej stosuje się różne regeneracyjne wymienniki ciepła i rekuperatory, w których nośnik ciepła jest podgrzewany w wyniku kontaktu powierzchniowego z wcześniej nagrzanymi konstrukcjami. Na przykład z dyszą ogrzewaną innym płynem chłodzącym. Ten wtórny projekt wymiany ciepła jest typowy dla zbiorniki buforowe, które zaleca się instalować do kotłów na paliwa stałe (nie pelet).

Najczęściej stosuje się powierzchniowe wymienniki ciepła, których typy i kształty znacznie się różnią. Istnieją również standardowe projekty, znormalizowane według parametrów i standardów.

Istnieją strukturalne typy wymienników ciepła, które mają znaczne różnice i różnią się zasadą wymiany ciepła:

• rurowy;
• blaszkowaty;
• spirala;
• cewki i inne mało przydatne.

 

Materiały na wymienniki ciepła

Do wymiany ciepła przez różne media wskazane jest wybranie materiału o dużej przewodności cieplnej i zdolności do akumulacji energii cieplnej. Miedź jest uważana za najbardziej odpowiednią, ale miedziane wymienniki ciepła są dość rzadkie ze względu na ich wysoki koszt. Zazwyczaj takie konstrukcje są wykonane z węgla i metali stopowych, rzadziej z tytanu i tantalu, co jest bardziej typowe dla jednostek przemysłowych.

Specjalistyczna stal termiczna nie jest produkowana na Ukrainie, metal żelazny ze stali węglowej jest uważany za najlepszy wybór, ponieważ stal nierdzewna nie zapewnia maksymalnej wydajności, ale jest droższa.

Pomimo dość dużej liczby znormalizowanych konstrukcji wymienników ciepła, preferowane są proste i łatwe do czyszczenia elementy urządzeń grzewczych, a także konstrukcje, które zakładają wygodną instalację i zapewniają łatwy dostęp do powierzchni wymiany ciepła.

Bardzo niestandardowym wymiennikiem ciepła, ale szeroko stosowanym w życiu codziennym, jest cegła ceramiczna lub inny kamień. Są to materiały, z których od czasów starożytnych budowano piece. Oprócz pierwotnego przekazywania ciepła podczas spalania, ceramika pieca lub kamień korpusu kominka dobrze akumuluje ciepło i zapewnia długotrwałe ogrzewanie mas powietrza wokół pieca, będąc w istocie wielkopowierzchniowym mieszaniem wtórnym wymiennik ciepła.

Wynika z tego, że wymiennik ciepła, stykając się z produktami spalania, może ulec zanieczyszczeniu, co skutkuje spadkiem wymiany ciepła i wymiany ciepła między ośrodkami wymiany. Projekty półprzemysłowych urządzeń grzewczych np. kotły na paliwo stałe TM „Focus” z przejściówką drzwiową do palników na pelety implikować czyszczenie wymiennika ciepła z sadzy poprzez wstrząsanie lub użycie systemu pneumatycznego podczas automatycznego czyszczenia.

Należy również wziąć pod uwagę fakt, że efektywność wykorzystania paliwa zależy od temperatury jego spalania, sprawności spalania produktów spalania pierwotnego. Im lepsze paliwo jest spalane, tym tańsze ogrzewanie, tym bezpieczniejsze emisje do atmosfery.

 

Rurowe wymienniki ciepła

Płaszczowo-rurowe obiegi wymiany ciepła

Są to najczęściej stosowane wymienniki ciepła w kotłach przemysłowych i półprzemysłowych, w tym domowych na gaz i paliwa stałe. Rysunek przedstawia podstawową konstrukcję, która obejmuje obudowę (obudowę) i przyspawaną do niej wiązkę rur. W takim wymienniku ciepła jedno medium, zwykle czynnik chłodzący, porusza się wewnątrz rury (zwykle woda), drugie - w medium między rurami (zwykle powietrze).

Cechą tego typu wymienników ciepła jest przeciwprądowy przepływ mediów. W takim przypadku zapewniona jest maksymalna wymiana ciepła. Wynika to z kierunku, w jakim naturalnie porusza się czynnik wymiany ciepła, gdy zmienia się gęstość w warunkach ogrzewania i spada jego temperatura.

Przeciwprąd zapewnia również równomierny rozkład prędkości i warunków wymiany ciepła proporcjonalny do pola przekroju rury z wiązki. Przy alternatywnym płukaniu elementu rurowego, w przypadku dostarczania ciepłej lub zimnej wody, będzie się ona gromadzić w jednej z części belkowego wymiennika ciepła, na górze lub na dole, tworząc „strefy stagnacji”.

Umieszczenie rur w wiązce ma również wpływ na wymianę ciepła. Zwykle umieszcza się je na wierzchołkach sześciokąta lub wzdłuż koncentrycznych okręgów (rzadziej). Gdy wymagane jest wygodne czyszczenie powierzchni wymiany ciepła, rury układa się w wiązkę wzdłuż wierzchołków prostokąta (ułożenie korytarzowe).

Rury są mocowane przez kielichowanie, unikając różnych łączników gwintowanych (dopuszczalnych w domowych kotłach). Jednak najsilniejsze połączenie zapewniają otwory z pierścieniowymi rowkami, które podczas kielichowania są wypełniane materiałem rury. W niektórych przypadkach rury są mocowane przez spawanie. Dozwolone są inne rodzaje połączeń rurowych, w tym lutowanie. Lutować głównie rury miedziane i mosiężne.

Alternatywą jest mocowanie za pomocą dławnic, co wiąże się z szybką wymianą. Jednak połączenie jest skomplikowane, nieuzasadnione cenowo i zawodne.

Konstrukcje tego typu wymienników ciepła są jedno- i dwukierunkowe. Jednoprzebiegowe wymienniki ciepła mają niską prędkość ruchu chłodziwa, to znaczy przenoszenie ciepła jest dość niskie. Jest to typowe dla systemów grawitacyjnych bez pompy. Aby zwiększyć wymianę ciepła w takich systemach, zwiększ długość rur i zmniejsz średnicę. Takie konstrukcje nie są zbyt wygodne, dlatego stosuje się alternatywną wersję - wieloprzebiegowe wymienniki ciepła.

Rury wieloprzebiegowe w wiązce są bardziej odpowiednie do produkcji przemysłowej, ponieważ wymagają obecności poprzecznych przegród we wnęce rury. Takie przekrojowe rury belkowe mogą być wykonane przez wykwalifikowanych rzemieślników. Należy pamiętać, że awaria musi być taka sama we wszystkich rurach i musi być taka sama liczba skoków, aby zapewnić takie same parametry wymiany ciepła.

Ze względu na konstrukcję natężenie przepływu cieczy w wielociągowych wymiennikach ciepła wzrasta (ilościowo w przeliczeniu na liczbę przejść) przy tych samych wskaźnikach nagrzewnicy, a dzięki wydajnemu odprowadzaniu ciepła uzyskuje się niedrogie ogrzewanie. W konstrukcjach wielociągowych wymienników ciepła stosuje się przegrody, które służą jednocześnie jako podpory dla wiązki rur.

Należy wziąć pod uwagę, że wzrost intensywności wymiany ciepła przyczynia się do wzrostu rezystancji ośrodka, co implikuje bardziej złożony projekt wymiany ciepła, który można uzyskać tylko za pomocą specjalnych obliczeń. Ekonomicznie wykonalna liczba ruchów zwykle nie przekracza 5-6. Chłodziwo do takich wymienników ciepła musi być specjalnie przygotowane w celu wyeliminowania z cieczy tlenu i gazów niekondensujących. Zawory upustowe służą do usuwania zatorów.

Bardziej popularne są poziome wymienniki ciepła, które pracują w przemysłowych systemach grzewczych z dużymi prędkościami i eliminują rozwarstwienie cieczy, które występuje w wyniku różnic temperatur i gęstości, a także eliminują powstawanie stref zastoju.

Aby wytworzyć określone napięcie i osiągnąć określoną prędkość, rury wiązki i osłony są nierównomiernie wydłużane. Płaszczowo-rurowe wymienniki ciepła mogą być zaprojektowane z urządzeniami kompensacyjnymi: skraplaczem soczewkowym, głowicą pływającą, U-rurkami. Odbywa się to w celu zmniejszenia odkształceń rur związanych z różnicą temperatur między rurami a obudową, długością rur, różnicą materiałów rur i obudów, w tym w celu skompensowania nadciśnienia. Chociaż wydajne, złożone obwody wymienników ciepła są trudne do czyszczenia.

Takie obwody wymiany ciepła są znormalizowane zgodnie z DSTU 9929-67.

 

Elementowe wymienniki ciepła

Ten typ wymienników ciepła jest zgodny z zasadą modułową. Obieg wymiany ciepła składa się z pojedynczych elementów grzejnych, z których każdy jest obwodem płaszczowo-rurowym. Zaletą tej konstrukcji jest uproszczenie wykonania obwodu wymiany ciepła w porównaniu z wersją wieloprzebiegową, łatwość montażu i czyszczenia podczas pracy, zwiększenie szybkości cyrkulacji chłodziwa wraz z większym przenoszeniem ciepła.

Ten typ obwodu nie nadaje się do dużych kotłowni, ponieważ rozmiar sprzętu znacznie wzrasta.

Wymienniki ciepła typu „rura w rurze” (dwururowe)

Dwururowe wymienniki ciepła mają konstrukcję „rura w rurze”, czynnik chłodzący porusza się w nich zarówno w rurze wewnętrznej, jak i zewnętrznej, zapewniając stopniowe przenoszenie i odprowadzanie ciepła. Wewnętrzne elementy typu „rura w rurze” połączone są „kalachi”, zewnętrzne – rozgałęzieniami.

Dużą prędkość ruchu płynu zapewniają małe przekroje 1-1,5 m/s. Ta konstrukcja jest szczególnie odpowiednia dla kotłów o wysokim ciśnieniu roboczym. Jeżeli wymagana jest większa powierzchnia przewodzenia ciepła, wymienniki tego typu wykonuje się w kilku odcinkach rura w rurze.

Płytowe wymienniki ciepła

W tego typu wymiennikach ciepła zastosowano równoległe płyty faliste, które tworzą system wąskich kanałów o szerokości zaledwie 3-6 mm. Ta cecha sprawia, że płytowy wymiennik ciepła jest bardziej wydajny niż rurowy wymiennik ciepła. Płyny poruszają się w kanałach między sąsiednimi płytami. Dzięki temu wysokie współczynniki przenikania ciepła dochodzące do 3800 W/m2 [3000 kcal/(m2 h deg)] są możliwe nawet przy bardzo niskich oporach przepływu. Te wymienniki ciepła nie są przeznaczone do pracy przy wysokim ciśnieniu.

Żebrowana konstrukcja wymiennika korpusu

Żebrowane obiegi wymiany ciepła należą do najbardziej wydajnych. Ta konstrukcja wymiennika ciepła jest odpowiednia dla chłodziwa o niskiej wartości przenikania ciepła (gazy i lepkie ciecze).

 

Konstrukcje cewek wymienników ciepła

Jest to specjalny rodzaj wymienników ciepła stosowany w urządzeniach grzewczych, w których możliwe są wahania reżimu. W tej konstrukcji obwód wymiany ciepła jest realizowany za pomocą spiralnej wężownicy z rurami 15-75 mm, która jest umieszczona w cieczy. Współczynnik przenikania ciepła jest dość niski ze względu na małą prędkość cieczy. Ciepło jest przenoszone przez konwekcję swobodną. Prędkości są zwiększane przez konstrukcję płaszcza wewnętrznego w obudowie, a same wymienniki ciepła pracują przy niskim obciążeniu termicznym. Mimo niskiej sprawności, cewkowe wymienniki ciepła są szeroko stosowane ze względu na prostą konstrukcję, niski koszt, łatwość naprawy i czyszczenia.

Takie konstrukcje wymienników ciepła z powodzeniem sprawdzają się w warunkach wysokiego ciśnienia iw środowisku chemicznym, ale stosowane są do ogrzewania powierzchni do 10-15 metrów kwadratowych. m.

Ten typ obiegu wymiany ciepła jest popularny w zastosowaniach, w których do ogrzewania używana jest para wodna. W tym przypadku stosunek długości cewki do średnicy nie przekracza pewnej granicy, ale zależy od ciśnienia. Na przykład współczynnik 200-275 stosuje się przy ciśnieniu pary 2-5 atmosfer, w przeciwnym razie kondensat pary będzie gromadził się w dolnej części wężownicy, co przyczyni się do utraty wydajności.

 

Spiralne obiegi wymiany ciepła

Do produkcji spiralnego wymiennika ciepła stosuje się dwie blachy, które są złożone w spiralę. Wewnętrzne końce są przyspawane do pustej ściany, a zewnętrzne końce są połączone ze sobą przez spawanie. W ten sposób powstają dwa izolowane spiralne kanały o dużej powierzchni wymiany ciepła.

Zaletą tego typu wymienników ciepła jest zwartość, przy jednoczesnym zapewnieniu dużej prędkości ruchu chłodziwa. Służą do ogrzewania gazów i skraplania oparów i mogą pracować przy podwyższonych ciśnieniach, ale z reguły nie wyższych niż 10 atmosfer. Słabym punktem tego typu wymienników ciepła są połączenia, dla uzyskania lepszej jakości wyjściowej stosuje się DSTU 12067-66.

 

Ostatecznie…

Z tego przeglądu można zobaczyć, jakie są konstrukcje wymienników ciepła, aby zmaksymalizować wymianę ciepła. Najbardziej odpowiednie w urządzeniach grzewczych są rurowe i płytowe wymienniki ciepła. Konstrukcje skorupowo-rurowe są dość przystępne do samodzielnej produkcji. Należy jednak wziąć pod uwagę efektywność wymiany ciepła i ogólną zasadę: im większa pojemność i przekrój wymiennika ciepła, tym mniejsza prędkość płynu i mniejsza wymiana ciepła.

Posiadają przemyślaną konstrukcję wymiennika ciepła, odpowiadającą parametrom spalania paliwa kotły na paliwo stałe TM „Focus”, który może pracować w dwóch trybach: przy ogrzewaniu drewnem i węglem lub palnikiem na pellet, który montowany jest w specjalnym adapterze drzwiowym. Pomimo zastosowania de facto technologii na paliwa stałe, ogrzewanie peletami jest w pełni autonomiczne i zautomatyzowane dzięki automatycznemu podawaniu peletów opałowych oraz przetwarzaniu stanów kotła przez polski mikrokontroler.