Конструкции теплообменников…, или как сделать недорогое отопление

Эффективность расходования энергоресурса будет полностью зависеть от способности отопительного агрегата аккумулировать тепло. Это осуществляется и зависит от конструкции теплообменников. Чем лучше подобрана данная часть прибора отопления, тем доступнее становится недорогое отопление в вашем доме.

Теплообменник представляет собой контур, в котором энергия топлива передается теплоносителю, подающемуся в батареи. Иными словами, если для примера взять пеллетный котел, образующееся при горении тепло в виде дыма проходит через трубчатый теплообменник, который отбирает тепло у продуктов сгорания.

Эффективность отопления зависит от многих параметров, но основным элементом остается теплообменник и его конструкция. Передача тепла прямопропорциональна площади контакта. По этой причине конструкция предполагает максимальное увеличение этой характеристики.

 

Виды конструкций теплообменников и их роль в недорогом отоплении

Известно два типа теплообменников, которые используются в отопительных приборах:

• поверхностные, в которых перенос тепла между средами осуществляется через общую поверхность обмена – обычно глухую стенку из металла;
• теплообменники смешения, в которых тепло предается при соприкосновении сред.

Менее часто используются различные регенеративные теплообменники и рекуператоры, в них нагрев теплоносителя происходит за счет поверхностного контакта с ранее нагретыми конструкциями. Например, с насадкой, которая нагревается другим теплоносителем. Такая конструкция вторичной передачи тепла характерна для буферных емкостей, которые рекомендуется устанавливать для твердотопливных котлов (не пеллетных).

Чаще всего используются поверхностные теплообменники, типы и формы которых имеют существенные различия. Есть и типовые конструкции, нормализованные по параметрам и стандартам.

Различают конструкционные типы теплообменников, имеющие значительные отличия и различающиеся по принципу теплообмена:

• трубчатые;
• пластинчатые;
• спиральные;
• змеевики и другие малоприменяемые.

 

Материалы для теплообменников

Для обмена теплом разными средами целесообразной выбирать материал с высокой теплоотдачей и способностью к накоплению тепловой энергии. Самым подходящим считается медь, но медные теплообменники довольно редки из-за высокой стоимости. Обычно такие конструкции изготавливаются из углеродистых и легированных металлов, реже из титана и тантала, что больше характерно для промышленных агрегатов.

Специализированная термосталь в Украине не производится, оптимальным выбором считается черный металл из углеродистой стали, так как нержавеющая сталь не обеспечивает максимальные характеристики, но стоит дороже.

Несмотря на довольно большое количество нормализованных конструкций теплообменников, предпочтение отдается простым и удобным в очистке по элементам отопительных приборов, а также конструкциям, подразумевающим удобным монтаж и обеспечивающим простоту доступа к поверхности теплообмена.

Весьма нестандартным теплообменником, но широко используемым в быту, является керамический кирпич или любой другой камень. Это материалы, из которых издревле кладут печи. Помимо первичной отдачи тепла при горении, керамика печи или камень корпуса камина хорошо накапливает тепло и обеспечивает длительный нагрев воздушных масс вокруг печи, являясь, по сути, вторичным теплообменником смешения большой площади.

Из этого следует, что теплообменник, контактируя с продуктами сгорания, может быть загрязнен, в результате чего уменьшается теплопередача и теплоотдача между обменными средами. Конструкции полупромышленных отопительных приборов, например, твердотопливные котлы ТМ «Фокус» с дверным адаптером для пеллетных горелок подразумевают очистку теплообменника от сажи методом встряхивания или с помощью пневматической системы при автоматической чистке.

Нужно учитывать и тот факт, что эффективность использования топлива зависит от температуры его сгорания, эффективности горения продуктов первичного сгорания. Чем лучше сжигается топливо, тем более недорогое отопление вы получаете, тем более безопасные выбросы в атмосферу.

 

Трубчатые теплообменники

Кожухо-трубчатые теплообменные контуры

Это наиболее применяемые теплообменники в промышленных и полупромышленных котлах, включая газовые и твердотопливные бытового класса. На рисунке показана принципиальная конструкция, которая включает корпус (кожух) и пучок труб, приваренных к нему. В таком теплообменнике одна среда, обычно теплоноситель, движется внутри трубы (как правило, водная), вторая – в среде между труб (как правило, воздушная).

Особенностью этого типа теплообменников является противоток сред. В этом случае обеспечивается максимальная теплоотдача. Это связано с направлением, в котором естественно движется среда теплообмена при изменении плотности в условиях нагрева и снижения ее температуры.

Противоток также обеспечивает равномерное распределение скоростей и условия теплообмена, пропорциональные площади поперечного сечения трубы из пучка. При альтернативном омывании трубного элемента, в случае подачи горячей или холодной воды, она будет скапливаться в одной из частей пучкового теплообменника, вверху или внизу, образуя «зоны застоя».

Размещение труб в пучке также имеет значение для теплообмена. Обычно их размещают в вершинах шестиугольника или по концентрическим окружностям (реже). Когда требуется удобная очистка поверхности теплообмена, размещают трубы в пучке по вершинам прямоугольника (коридорное размещение).

Трубы крепят развальцовкой, избегая различных резьбовых креплений (допускаются в бытовых котлах). Но самое прочное соединение обеспечивается в отверстиях с кольцевыми канавками, заполняющимися материалом трубы при развальцовке. В некоторых случаях трубы крепят сваркой. Допускаются другие типы соединений труб, включая пайку. Паяют преимущественно медные и латунные трубы.

Альтернативой считается крепление с помощью сальников, что предполагает быструю замену. Однако соединение сложное, неоправданное по цене и ненадежное.

Конструкции теплообменников такого типа бывают одно- и двухходовыми. Одноходовые теплообменники имеют низкую скорость движения теплоносителя, то есть и теплоотдача довольно низкая. Это характерно для гравитационных систем без насоса. Чтобы увеличить теплоотдачу в таких системах, увеличивают длину труб и уменьшают диаметр. Такие конструкции не очень удобны, поэтому используют альтернативную версию – многоходовые теплообменники.

Многоходовые трубы в пучке больше подходят для промышленного изготовления, так как предполагают наличие поперечных перегородок в полости трубы. Такие секционные трубы пучка могут быть выполнены квалифицированными специалистами. Учитывайте, что разбивка должна быть одинаковой во всех трубах и должно быть одинаковым количество ходов, чтобы обеспечить одинаковые параметры теплообмена.

За счет конструкции скорость прохождения жидкости в многоходовых теплообменниках возрастает (в число раз по количеству ходов) при тех же показателях отопительного прибора, и вы получаете недорогое отопление за счет эффективного отбора тепла. В многоходовых конструкциях теплообменников используются перегородки, которые служат и опорами для пучка труб.

Нужно учитывать, что повышение интенсивности теплообмена способствует повышению сопротивления среды, из чего следует и более сложная конструкция теплообмена, которую можно получить только с применением специальных расчетов. Экономически-целесообразное количество ходов обычно не превышает 5-6. Теплоноситель для таких теплообменников нужно специально готовить с целью устранения из жидкости кислорода и неконденсируемых газов. Для устранения пробок используют продувочные клапаны.

Более популярны горизонтальные теплообменники, они работают в промышленных отопительных системах на высоких скоростях и устраняют расслоение жидкостей, возникающее из-за разности температур и плотностей, а также позволяют устранить образование застойных зон.

Чтобы создать определенное напряжение и добиться заданной скорости, трубы пучка и кожух удлиняются неодинаково. Кожухо-трубные теплообменники могут иметь конструкцию с компенсирующими устройствами: линзовым конденсатором, плавающей головкой, U-образными трубами. Это делается для уменьшения трубных деформаций, связанных с разностью температур труб и кожуха, длиной труб, различием материалов труб и кожуха, в том числе, для компенсации избыточного давления. Несмотря на эффективность, теплообменные контуры со сложной конструкцией трудны в очистке.

Такие теплообменные контуры стандартизованы по ДСТУ 9929—67.

 

Элементные теплообменники

Этот вид теплообменников соответствует модульному принципу. Теплообменный контур состоит из отдельных нагревательных элементов, каждый из которых представляет собой кожухо-трубчатый контур. Преимуществом такой конструкции является упрощение изготовления теплообменного контура по сравнению с многоходовой версией, удобство монтажа и очистки в процессе эксплуатации, увеличение скорости циркуляции теплоносителя наряду с более высокой теплоотдачей.

Такой вид контуров не подходит для больших котельных, так как существенно увеличивается размер оборудования.

Теплообменники типа «труба в трубе» (двухтрубчатые)

Двухтрубчатые теплообменники представляют собой конструкцию типа «труба в трубе», теплоноситель в них движется, как во внутренней, так и во внешней трубе, обеспечивая пошаговую отдачу и отбор тепла. Внутренние элементы типа «труба в трубе» соединяются «калачами», наружные – патрубками.

Высокая скорость движения жидкости обеспечивается за счет небольших поперечных сечений 1—1,5 м/с. Такая конструкция особенно подходит для котлов с высокими рабочими давлениями. Если требуется больший размер теплопроводной поверхности, теплообменники этого типа выполняются в несколько секций «труба в трубе».

Пластинчатые теплообменники

Этот вид теплообменника использует гофрированные параллельные пластины, благодаря чему создается система узких каналов шириной всего 3-6 мм. Эта особенность делает пластинчатый теплообменник более эффективным по сравнению с трубчатым. Жидкости движутся в каналах между смежными пластинами. Благодаря чему становятся возможными высокие коэффициенты теплопередачи, до 3800 вт/м2 [3000 ккал/(м2·ч·град)] даже при очень низком гидравлическом сопротивлении. Данные теплообменники не рассчитаны на работу при высоком давлении.

Оребренная конструкция телообменника

Оребренные теплообменные контуры относятся к числу самых эффективных. Такая конструкция теплообменника подходит для теплоносителя с низким значением теплоотдачи (газы и вязкие жидкости).

 

Змеевиковые конструкции теплообменников

Это специальный вид теплообменников, используемых в нагревательных приборах, где возможны колебания режима. В такой конструкции теплообменный контур реализован с помощью спирального змеевика с трубами 15-75 мм, который помещен в жидкость. Коэффициент теплоотдачи достаточно невелик из-за низкой скорости прохождения жидкости. Тепло передается свободной конвекцией. Скорости увеличиваются за счет конструкции внутреннего стакана в корпусе, а сами теплообменники работают при низкой тепловой нагрузке. Несмотря на низкую эффективность, змеевиковые теплообменники находят довольно широкое применение из-за простой конструкции, низко стоимости, доступности ремонта и очистки.

Такие конструкции теплообменников успешно работаю в условиях высокого давления и в химических средах, но применяются при поверхностях нагрева до 10-15 кв. м.

Этот тип теплообменного контура популярен в условиях, когда используется водяной пар для нагрева. В этом случае отношение длины змеевика к диаметру не превышает определенного предела, но зависит от давления. К примеру, коэффициент 200-275 применяется при давлениях пара 2-5 атмосфер, в противном случае будет скапливаться паровой конденсат в нижней части змеевика, что будет способствовать потере КПД.

 

Спиральный тип теплообменных контуров

Для изготовления спирального теплообменника используются два металлических листа, которые сворачиваются по спирали. Внутренние концы приварены к глухой стенке, а наружные соединяются сваркой друг с другом. Так образуются два изолированных спиральных канала с большой поверхностью теплопередачи.

Достоинством этого вида теплообменников является компактность, при этом обеспечивают высокую скорость движения теплоносителя. Они применяются для нагрева газов и конденсации паров и могут работать при повышенном давлении, но, как правило, не выше 10 атмосфер. Слабым местом такого типа теплообменников являются соединения, для достижения лучшего качества выпуска используется ДСТУ 12067-66.

 

В итоге…

Из этого обзора можно ознакомиться, какими бывают конструкции теплообменников, чтобы максимизировать теплоотдачу. Наиболее применимыми в приборах отопления считаются трубчатые и пластинчатые теплообменники. Кожухотрубные конструкции вполне доступны для самостоятельного изготовления. Но нужно учитывать эффективность теплообмена и общий принцип: чем больше емкость и сечение теплообменника, тем меньше скорость движения жидкости и ниже теплопередача.

Хорошо продуманную конструкцию теплообменника, соответствующего параметрам горения топлива, имеют твердотопливные котлы ТМ «Фокус», которые могут эксплуатироваться в двух режимах: при отоплении дровами и углем или же с пеллетной горелкой, которая устанавливается в специальный дверной адаптер. Несмотря на использование де-факто твердотопливной технологии, пеллетное отопление полностью автономно и автоматизировано за счет автоматической подачи топливных гранул и обработки состояний котла микроконтроллером польского производства.