Modele de schimbătoare de căldură ... sau cum să faci încălzire ieftină

Eficiența consumului de energie va depinde în întregime de capacitatea unității de încălzire de a acumula căldură. Acest lucru se face și depinde de proiectarea schimbătoarelor de căldură. Cu cât această parte a dispozitivului de încălzire este mai bine selectată, cu atât încălzirea devine mai accesibilă în casa ta.

Schimbătorul de căldură este un circuit în care energia combustibilului este transferată lichidului de răcire furnizat bateriilor. Cu alte cuvinte, dacă luăm ca exemplu un cazan pe peleți, căldura generată în timpul arderii sub formă de fum trece printr-un schimbător de căldură tubular, care elimină căldura din produsele de ardere.

Eficiența încălzirii depinde de mulți parametri, dar elementul principal este schimbătorul de căldură și designul acestuia. Transferul de căldură este direct proporțional cu suprafața de contact. Din acest motiv, designul presupune creșterea maximă a acestei caracteristici.

 

Tipuri de modele de schimbătoare de căldură și rolul lor în încălzirea ieftină

Există două tipuri de schimbătoare de căldură care sunt utilizate în aparatele de încălzire:

• suprafață, în care transferul de căldură între medii se realizează printr-o suprafață de schimb comună - de obicei un perete metalic gol;
• schimbătoare de căldură de amestecare, în care căldura este transferată atunci când mediile intră în contact.

Mai rar, se folosesc diferite schimbătoare de căldură regenerativă și recuperatoare, în care purtătorul de căldură este încălzit datorită contactului de suprafață cu structurile încălzite anterior. De exemplu, cu o duză care este încălzită de un alt lichid de răcire. Acest design secundar de transfer de căldură este tipic pentru rezervoare tampon, care se recomandă a fi instalate pentru cazanele pe combustibil solid (nu pe peleți).

Cel mai adesea, se folosesc schimbătoare de căldură de suprafață, ale căror tipuri și forme au diferențe semnificative. Există și modele standard, normalizate prin parametri și standarde.

Există tipuri structurale de schimbătoare de căldură care au diferențe semnificative și diferă prin principiul transferului de căldură:

• tubular;
• lamelar;
• spirală;
• bobine si altele de putin folos.

 

Materiale pentru schimbatoare de caldura

Pentru schimbul de căldură prin diferite medii, este recomandabil să alegeți un material cu transfer ridicat de căldură și cu capacitatea de a acumula energie termică. Cuprul este considerat cel mai potrivit, dar schimbătoarele de căldură din cupru sunt destul de rare datorită costului lor ridicat. De obicei, astfel de structuri sunt realizate din carbon și metale aliaje, mai rar din titan și tantal, ceea ce este mai tipic pentru unitățile industriale.

Oțelul termic specializat nu este produs în Ucraina, metalul feros din oțel carbon este considerat cea mai bună alegere, deoarece oțelul inoxidabil nu oferă performanțe maxime, dar este mai scump.

În ciuda numărului destul de mare de modele normalizate ale schimbătoarelor de căldură, se acordă preferință elementelor simple și ușor de curățat ale dispozitivelor de încălzire, precum și modelelor care implică o instalare convenabilă și oferă acces ușor la suprafața de schimb de căldură.

Un schimbător de căldură foarte nestandard, dar utilizat pe scară largă în viața de zi cu zi, este o cărămidă ceramică sau orice altă piatră. Acestea sunt materialele din care au fost construite sobele din cele mai vechi timpuri. Pe lângă transferul primar de căldură în timpul arderii, ceramica sobei sau piatra corpului șemineului acumulează bine căldura și asigură încălzirea pe termen lung a maselor de aer din jurul sobei, fiind, de fapt, un amestec secundar de suprafață mare. schimbător de căldură.

De aici rezultă că schimbătorul de căldură, în contact cu produsele de ardere, poate fi contaminat, rezultând o scădere a transferului de căldură și a transferului de căldură între mediile de schimb. Proiectări de dispozitive de încălzire semi-industriale, de exemplu, cazane pe combustibil solid TM „Focus” cu adaptor de ușă pentru arzătoare pe peleți implică curățarea schimbătorului de căldură de funingine prin agitare sau utilizarea unui sistem pneumatic în timpul curățării automate.

De asemenea, este necesar să se țină cont de faptul că eficiența utilizării combustibilului depinde de temperatura arderii acestuia, de eficiența arderii produselor de ardere primară. Cu cât combustibilul este ars mai bine, cu atât veți obține o încălzire mai ieftină, cu atât emisiile în atmosferă sunt mai sigure.

 

Schimbătoare de căldură tubulare

Circuite de schimb de căldură în carcasă și tub

Acestea sunt cele mai utilizate schimbătoare de căldură în cazanele industriale și semi-industriale, inclusiv din clasa casnică pe gaz și combustibil solid. Figura prezintă designul de bază, care include o carcasă (carcasă) și un mănunchi de țevi sudate pe acesta. Într-un astfel de schimbător de căldură, un mediu, de obicei un lichid de răcire, se deplasează în interiorul țevii (de obicei apă), al doilea - în mediul dintre țevi (de obicei aer).

O caracteristică a acestui tip de schimbătoare de căldură este contrafluxul mediilor. În acest caz, se asigură un transfer maxim de căldură. Acest lucru se datorează direcției în care mediul de schimb de căldură se mișcă în mod natural atunci când densitatea se modifică în condiții de încălzire și temperatura acestuia scade.

Contracurent oferă, de asemenea, o distribuție uniformă a vitezelor și a condițiilor de transfer de căldură proporționale cu aria secțiunii transversale a tubului din fascicul. Cu o spălare alternativă a elementului tubular, în cazul alimentării cu apă caldă sau rece, aceasta se va acumula într-una din părțile schimbătorului de căldură cu fascicul, sus sau jos, formând „zone de stagnare”.

Amplasarea tuburilor în fascicul are și implicații pentru transferul de căldură. De obicei, acestea sunt plasate la vârfurile unui hexagon sau de-a lungul unor cercuri concentrice (mai rar). Când este necesară curățarea convenabilă a suprafeței de schimb de căldură, țevile sunt plasate într-un mănunchi de-a lungul vârfurilor unui dreptunghi (plasarea coridorului).

Conductele se fixează prin evazare, evitându-se diversele elemente de fixare filetate (permise în cazanele menajere). Dar cea mai puternică conexiune este prevăzută în găuri cu caneluri inelare, care sunt umplute cu material de țeavă în timpul evazării. În unele cazuri, țevile sunt fixate prin sudură. Sunt permise alte tipuri de racorduri la conducte, inclusiv lipirea. Lipiți în principal țevi de cupru și alamă.

O alternativă este fixarea cu glande, ceea ce presupune o înlocuire rapidă. Cu toate acestea, conexiunea este complexă, nejustificată ca preț și nesigură.

Proiectele acestui tip de schimbătoare de căldură sunt uni și bidirecționale. Schimbătoarele de căldură cu o singură trecere au o viteză scăzută de mișcare a lichidului de răcire, adică transferul de căldură este destul de scăzut. Acest lucru este tipic pentru sistemele gravitaționale fără pompă. Pentru a crește transferul de căldură în astfel de sisteme, măriți lungimea țevilor și reduceți diametrul. Astfel de modele nu sunt foarte convenabile, prin urmare, se utilizează o versiune alternativă - schimbătoare de căldură cu mai multe treceri.

Tuburile cu treceri multiple într-un pachet sunt mai potrivite pentru producția industrială, deoarece necesită prezența deflectoarelor transversale în cavitatea tubului. Astfel de tuburi cu fascicule secționale pot fi realizate de meșteri pricepuți. Rețineți că defalcarea trebuie să fie aceeași în toate conductele și trebuie să existe același număr de curse pentru a asigura aceiași parametri de transfer de căldură.

Datorită designului, debitul lichidului în schimbătoarele de căldură cu mai multe treceri crește (în număr de ori în ceea ce privește numărul de treceri) cu aceiași indicatori ai încălzitorului și obțineți o încălzire ieftină datorită extracției eficiente a căldurii. În modelele cu mai multe treceri ale schimbătoarelor de căldură, sunt utilizate deflectoare, care servesc și ca suport pentru fasciculul de tuburi.

Trebuie avut în vedere faptul că o creștere a intensității transferului de căldură contribuie la o creștere a rezistenței mediului, ceea ce presupune o proiectare mai complexă a transferului de căldură, care nu poate fi obținută decât prin calcule speciale. Numărul de mișcări fezabil din punct de vedere economic nu depășește de obicei 5-6. Lichidul de răcire pentru astfel de schimbătoare de căldură trebuie pregătit special pentru a elimina oxigenul și gazele necondensabile din lichid. Supapele de purjare sunt folosite pentru a elimina blocajele.

Schimbătoarele de căldură orizontale sunt mai populare, funcționează în sistemele industriale de încălzire la viteze mari și elimină stratificarea lichidelor care apare din cauza diferențelor de temperatură și densitate și, de asemenea, elimină formarea de zone stagnante.

Pentru a crea o anumită tensiune și a atinge o viteză dată, tuburile fasciculului și carcasei sunt alungite inegal. Schimbătoarele de căldură cu carcasă și tub pot fi proiectate cu dispozitive de compensare: condensator de lentile, cap plutitor, tuburi în U. Acest lucru se face pentru a reduce deformațiile țevilor asociate cu diferența de temperatură dintre țevi și carcasă, lungimea țevilor, diferența dintre țevi și materialele carcasei, inclusiv pentru a compensa excesul de presiune. Deși eficiente, circuitele schimbătoarelor de căldură complexe sunt greu de curățat.

Astfel de circuite de schimb de căldură sunt standardizate conform DSTU 9929-67.

 

Schimbătoare de căldură cu elemente

Acest tip de schimbătoare de căldură urmează principiul modular. Circuitul de schimb de căldură constă din elemente de încălzire individuale, fiecare dintre ele fiind un circuit cu carcasă și tub. Avantajul acestui design este simplificarea fabricării circuitului de schimb de căldură în comparație cu versiunea cu mai multe treceri, ușurința instalării și curățării în timpul funcționării, o creștere a vitezei de circulație a lichidului de răcire împreună cu un transfer de căldură mai mare.

Acest tip de circuit nu este potrivit pentru camerele de cazane mari, deoarece dimensiunea echipamentului crește semnificativ.

Schimbătoare de căldură de tip „țeavă în conductă” (cu două conducte)

Schimbătoarele de căldură cu două țevi sunt un design „țeavă în țeavă”, lichidul de răcire se mișcă în ele atât în țevile interioare, cât și în cele exterioare, asigurând transferul de căldură și îndepărtarea pas cu pas. Elementele interne de tip „pipe in pipe” sunt conectate prin „kalachi”, cele externe - prin conducte de ramificație.

Viteza mare de mișcare a fluidului este asigurată de secțiuni transversale mici de 1–1,5 m/s. Acest design este potrivit în special pentru cazane cu presiuni mari de funcționare. Dacă este necesară o suprafață mai mare conducătoare de căldură, schimbătoarele de căldură de acest tip sunt realizate în mai multe secțiuni conductă în conductă.

Schimbătoare de căldură cu plăci

Acest tip de schimbător de căldură utilizează plăci paralele ondulate, ceea ce creează un sistem de canale înguste cu o lățime de numai 3-6 mm. Această caracteristică face ca un schimbător de căldură cu plăci să fie mai eficient decât un schimbător de căldură cu tuburi. Fluidele se deplasează în canale între plăcile adiacente. Ca rezultat, sunt posibili coeficienți mari de transfer de căldură de până la 3800 W/m2 [3000 kcal/(m2 h grad)] chiar și cu rezistență la curgere foarte scăzută. Aceste schimbătoare de căldură nu sunt proiectate pentru funcționare la presiune înaltă.

Design schimbător cu corp cu nervuri

Circuitele de schimb de căldură cu aripioare sunt printre cele mai eficiente. Acest design al schimbătorului de căldură este potrivit pentru lichidul de răcire cu o valoare scăzută de transfer de căldură (gaze și lichide vâscoase).

 

Modele de bobine ale schimbătoarelor de căldură

Acesta este un tip special de schimbătoare de căldură utilizate în dispozitivele de încălzire unde sunt posibile fluctuații de regim. În acest design, circuitul de schimb de căldură este implementat folosind o bobină spirală cu țevi de 15-75 mm, care este plasată într-un lichid. Coeficientul de transfer de căldură este destul de scăzut datorită vitezei reduse a lichidului. Căldura este transferată prin convecție liberă. Vitezele sunt crescute de designul carcasei interioare din carcasă, iar schimbătoarele de căldură în sine funcționează la o sarcină termică scăzută. În ciuda eficienței lor scăzute, schimbătoarele de căldură cu bobine sunt utilizate pe scară largă datorită designului lor simplu, costului redus, reparației și curățării ușoare.

Astfel de modele de schimbătoare de căldură funcționează cu succes în condiții de presiune ridicată și în medii chimice, dar sunt utilizate pentru încălzirea suprafețelor de până la 10-15 metri pătrați. m.

Acest tip de circuit de schimb de căldură este popular în aplicațiile în care aburul este utilizat pentru încălzire. În acest caz, raportul dintre lungimea bobinei și diametrul nu depășește o anumită limită, ci depinde de presiune. De exemplu, se aplică un coeficient de 200-275 la presiuni de abur de 2-5 atmosfere, în caz contrar condensul de abur se va acumula în partea inferioară a serpentinei, ceea ce va contribui la pierderea eficienței.

 

Tipul spiralat de circuite de schimb de căldură

Pentru fabricarea unui schimbător de căldură spiralat, se folosesc două foi de metal, care sunt pliate în spirală. Capetele interioare sunt sudate pe un perete gol, iar capetele exterioare sunt conectate prin sudură între ele. Acest lucru creează două canale spiralate izolate cu o suprafață mare de transfer de căldură.

Avantajul acestui tip de schimbătoare de căldură este compactitatea, oferind în același timp o viteză mare de mișcare a lichidului de răcire. Sunt utilizate pentru încălzirea gazelor și vaporilor de condensare și pot funcționa la presiuni ridicate, dar de obicei nu mai mari de 10 atmosfere. Conexiunile sunt punctul slab al acestui tip de schimbătoare de căldură; DSTU 12067-66 este folosit pentru a obține cea mai bună calitate a ieșirii.

 

În cele din urmă…

Din această prezentare generală, puteți vedea care sunt modelele schimbătoarelor de căldură pentru a maximiza transferul de căldură. Cele mai aplicabile în dispozitivele de încălzire sunt schimbătoarele de căldură tubulare și cu plăci. Structurile cu carcasă și tuburi sunt destul de accesibile pentru auto-producție. Dar este necesar să se țină cont de eficiența transferului de căldură și de principiul general: cu cât capacitatea și secțiunea transversală a schimbătorului de căldură sunt mai mari, cu atât viteza fluidului este mai mică și transferul de căldură este mai mic.

Un design bine gândit al schimbătorului de căldură, corespunzător parametrilor de ardere ai combustibilului, au cazane cu combustibil solid TM "Focus", care poate fi acționat în două moduri: atunci când este încălzit cu lemne și cărbune, sau cu un arzător pe peleți, care este instalat într-un adaptor special pentru ușă. În ciuda utilizării tehnologiei de facto cu combustibil solid, încălzirea peleților este complet autonomă și automatizată datorită furnizării automate a peleților de combustibil și procesării stărilor cazanului de către un microcontroler de fabricație poloneză.