Zasnove toplotnih izmenjevalnikov ..., ali kako narediti poceni ogrevanje

Učinkovitost porabe energije bo v celoti odvisna od sposobnosti ogrevalne enote, da akumulira toploto. To se naredi in je odvisno od zasnove toplotnih izmenjevalnikov. Bolje kot je izbran ta del kurilne naprave, ugodnejše je ogrevanje v vašem domu.

Toplotni izmenjevalnik je vezje, v katerem se energija goriva prenese na hladilno tekočino, ki se dovaja v baterije. Povedano drugače, če za primer vzamemo kotel na pelete, toplota, ki nastane pri zgorevanju v obliki dima, prehaja skozi cevni toplotni izmenjevalnik, ki odvzema toploto produktom izgorevanja.

Učinkovitost ogrevanja je odvisna od številnih parametrov, vendar je glavni element toplotni izmenjevalnik in njegova zasnova. Prenos toplote je neposredno sorazmeren s kontaktno površino. Zaradi tega zasnova predvideva maksimalno povečanje te lastnosti.

 

Vrste konstrukcij toplotnih izmenjevalnikov in njihova vloga pri poceni ogrevanju

Obstajata dve vrsti toplotnih izmenjevalnikov, ki se uporabljajo v grelnih napravah:

• površina, pri kateri se prenos toplote med mediji izvaja preko skupne izmenjevalne površine - običajno slepo kovinsko steno;
• mešalni toplotni izmenjevalci, v katerih se toplota prenaša ob stiku medija.

Manj pogosto se uporabljajo različni regenerativni toplotni izmenjevalniki in rekuperatorji, v katerih se toplotni nosilec segreje zaradi površinskega stika s predhodno ogretimi strukturami. Na primer s šobo, ki jo segreva drugo hladilno sredstvo. Ta oblika sekundarnega prenosa toplote je značilna za tamponski rezervoarji, ki jih je priporočljivo vgraditi za kotle na trda goriva (ne na pelete).

Najpogosteje se uporabljajo površinski toplotni izmenjevalniki, katerih vrste in oblike imajo pomembne razlike. Obstajajo tudi standardni modeli, normalizirani s parametri in standardi.

Obstajajo strukturni tipi izmenjevalnikov toplote, ki imajo pomembne razlike in se razlikujejo po principu prenosa toplote:

• cevasto;
• lamelni;
• spirala;
• tuljave in druge malo uporabne.

 

Materiali za toplotne izmenjevalnike

Za izmenjavo toplote z različnimi mediji je priporočljivo izbrati material z visokim prenosom toplote in sposobnostjo akumulacije toplotne energije. Baker velja za najprimernejšega, vendar so bakreni izmenjevalniki toplote zaradi visokih stroškov precej redki. Običajno so takšne strukture izdelane iz ogljika in legiranih kovin, manj pogosto iz titana in tantala, kar je bolj značilno za industrijske enote.

Specializirano termično jeklo se v Ukrajini ne proizvaja, železna kovina iz ogljikovega jekla velja za najboljšo izbiro, saj nerjavno jeklo ne zagotavlja največje zmogljivosti, vendar je dražje.

Kljub precej velikemu številu normaliziranih izvedb toplotnih izmenjevalnikov je prednost dana enostavnim in enostavnim čiščenjem elementov grelnih naprav, pa tudi izvedbam, ki pomenijo priročno namestitev in omogočajo enostaven dostop do površine za izmenjavo toplote.

Zelo nestandarden izmenjevalnik toplote, vendar pogosto uporabljen v vsakdanjem življenju, je keramična opeka ali kateri koli drug kamen. To so materiali, iz katerih so že od antičnih časov gradili peči. Poleg primarnega prenosa toplote med zgorevanjem keramika peči ali kamen kaminskega telesa dobro akumulira toploto in zagotavlja dolgotrajno segrevanje zračnih mas okoli peči, saj je v resnici sekundarno mešanje velike površine. toplotni izmenjevalnik.

Iz tega sledi, da se toplotni izmenjevalnik v stiku s produkti zgorevanja lahko kontaminira, kar povzroči zmanjšanje prenosa toplote in prenosa toplote med izmenjevalnimi mediji. Zasnove polindustrijskih ogrevalnih naprav, npr. kotli na trda goriva TM "Focus" z vratnim adapterjem za gorilnike na pelete pomenijo čiščenje toplotnega izmenjevalnika saj s stresanjem ali uporabo pnevmatskega sistema med samodejnim čiščenjem.

Upoštevati je treba tudi dejstvo, da je učinkovitost porabe goriva odvisna od temperature njegovega zgorevanja, učinkovitosti zgorevanja primarnih produktov zgorevanja. Bolj kot je gorivo izgorelo, dražje je ogrevanje, varnejše so emisije v ozračje.

 

Cevni izmenjevalniki toplote

Tokokrogi za izmenjavo toplote v lupini in cevi

To so najpogosteje uporabljeni izmenjevalniki toplote v industrijskih in polindustrijskih kotlih, vključno s plinskimi in trdimi kurilnimi napravami za gospodinjstvo. Slika prikazuje osnovno zasnovo, ki vključuje ohišje (ohišje) in nanj privarjen snop cevi. V takem izmenjevalniku toplote se en medij, običajno hladilno sredstvo, premika znotraj cevi (običajno voda), drugi - v mediju med cevmi (običajno zrak).

Značilnost te vrste izmenjevalnikov toplote je protitok medija. V tem primeru je zagotovljen največji prenos toplote. To je posledica smeri, v kateri se medij za izmenjavo toplote naravno giblje, ko se gostota spreminja v pogojih segrevanja in njegova temperatura pada.

Protitok zagotavlja tudi enakomerno porazdelitev hitrosti in pogojev prenosa toplote, sorazmerno s površino preseka cevi iz snopa. Z alternativnim izpiranjem cevnega elementa, v primeru oskrbe s toplo ali hladno vodo, se bo kopičila v enem od delov žarkovnega toplotnega izmenjevalnika, na vrhu ali na dnu, in tvorila "območja stagnacije".

Postavitev cevi v snop vpliva tudi na prenos toplote. Običajno so nameščeni na ogliščih šesterokotnika ali vzdolž koncentričnih krogov (redkeje). Kadar je potrebno priročno čiščenje površine za izmenjavo toplote, so cevi nameščene v snopu vzdolž vrhov pravokotnika (postavitev koridorja).

Cevi so pritrjene z razstrelitvijo, pri čemer se izogibajo raznim navojnim pritrdilnim elementom (dovoljeno v gospodinjskih kotlih). Toda najmočnejša povezava je zagotovljena v luknjah z obročastimi utori, ki so napolnjene s cevnim materialom med razstrelitvijo. V nekaterih primerih so cevi pritrjene z varjenjem. Dovoljene so druge vrste cevnih povezav, vključno s spajkanjem. Spajkajte predvsem bakrene in medeninaste cevi.

Alternativa je pritrditev z uvodnicami, kar pomeni hitro zamenjavo. Povezava pa je kompleksna, cenovno neupravičena in nezanesljiva.

Izvedbe te vrste izmenjevalnikov toplote so eno- in dvosmerne. Enoprehodni izmenjevalniki toplote imajo nizko hitrost gibanja hladilne tekočine, kar pomeni, da je prenos toplote precej nizek. To je značilno za gravitacijske sisteme brez črpalke. Za povečanje prenosa toplote v takih sistemih povečajte dolžino cevi in zmanjšajte premer. Takšni modeli niso zelo priročni, zato se uporablja alternativna različica - večprehodni izmenjevalniki toplote.

Večprehodne cevi v snopu so bolj primerne za industrijsko proizvodnjo, saj zahtevajo prisotnost prečnih pregrad v cevni votlini. Takšne prečne cevi lahko izdelajo usposobljeni obrtniki. Upoštevajte, da mora biti razčlenitev enaka v vseh ceveh in mora biti enako število gibov, da se zagotovijo enaki parametri prenosa toplote.

Zaradi zasnove se pretok tekočine v večprehodnih toplotnih izmenjevalnikih poveča (krat glede na število prehodov) z enakimi indikatorji grelnika in dobite poceni ogrevanje zaradi učinkovitega odvzema toplote. Pri večprehodnih izvedbah toplotnih izmenjevalnikov se uporabljajo pregrade, ki služijo tudi kot nosilci cevnega snopa.

Upoštevati je treba, da povečanje intenzivnosti prenosa toplote prispeva k povečanju upora medija, kar pomeni bolj zapleteno zasnovo prenosa toplote, ki jo je mogoče dobiti le s posebnimi izračuni. Ekonomsko izvedljivo število potez običajno ne presega 5-6. Hladilno sredstvo za takšne izmenjevalnike toplote mora biti posebej pripravljeno, da izloči kisik in nekondenzirajoče pline iz tekočine. Odzračevalni ventili se uporabljajo za odpravo blokad.

Horizontalni toplotni izmenjevalniki so bolj priljubljeni, delujejo v industrijskih ogrevalnih sistemih pri visokih hitrostih in odpravljajo razslojevanje tekočin, ki nastane zaradi temperaturnih in gostotnih razlik, ter odpravljajo nastanek stagnirajočih con.

Za ustvarjanje določene napetosti in doseganje določene hitrosti so cevi snopa in ohišja neenakomerno podaljšane. Lupinasti in cevni toplotni izmenjevalniki so lahko zasnovani s kompenzacijskimi napravami: lečnim kondenzorjem, lebdečo glavo, U-cevmi. To se naredi za zmanjšanje deformacij cevi, povezanih s temperaturno razliko med cevmi in ohišjem, dolžino cevi, razliko v materialih cevi in ohišja, vključno z izravnavo nadtlaka. Čeprav so učinkoviti, je zapletene toplotne izmenjevalnike težko očistiti.

Takšna vezja za izmenjavo toplote so standardizirana v skladu z DSTU 9929-67.

 

Elementni toplotni izmenjevalniki

Ta vrsta toplotnih izmenjevalcev deluje po modularnem principu. Tokokrog za izmenjavo toplote je sestavljen iz posameznih grelnih elementov, od katerih je vsak vezje lupine in cevi. Prednost te zasnove je poenostavitev izdelave vezja za izmenjavo toplote v primerjavi z različico z več prehodi, enostavnost namestitve in čiščenja med delovanjem, povečanje hitrosti kroženja hladilne tekočine skupaj z večjim prenosom toplote.

Ta vrsta vezja ni primerna za velike kotlovnice, saj se velikost opreme znatno poveča.

Toplotni izmenjevalniki tipa "cev v cevi" (dvocevni)

Dvocevni toplotni izmenjevalniki so zasnova "cev v cevi", hladilna tekočina se premika v njih tako v notranji kot zunanji cevi, kar zagotavlja postopen prenos in odvajanje toplote. Notranji elementi tipa "cev v cevi" so povezani s "kalachi", zunanji - z odcepnimi cevmi.

Visoko hitrost gibanja tekočine zagotavljajo majhni prečni prerezi 1–1,5 m/s. Ta oblika je še posebej primerna za kotle z visokim delovnim tlakom. Če je potrebna večja toplotno prevodna površina, so tovrstni toplotni izmenjevalniki izdelani v več delih cev v cevi.

Ploščni izmenjevalniki toplote

Ta vrsta izmenjevalnika toplote uporablja valovite vzporedne plošče, ki ustvarjajo sistem ozkih kanalov s širino le 3-6 mm. Zaradi te lastnosti je ploščni izmenjevalnik toplote učinkovitejši od cevnega. Tekočine se gibljejo v kanalih med sosednjimi ploščami. Posledično so možni visoki koeficienti prenosa toplote do 3800 W/m2 [3000 kcal/(m2 h deg)] tudi pri zelo nizkem uporu pretoka. Ti izmenjevalniki toplote niso zasnovani za visokotlačno delovanje.

Zasnova izmenjevalnika z rebrastim ohišjem

Rebrasta vezja za izmenjavo toplote so med najučinkovitejšimi. Ta zasnova toplotnega izmenjevalnika je primerna za hladilno tekočino z nizko vrednostjo prenosa toplote (plini in viskozne tekočine).

 

Zasnove tuljav toplotnih izmenjevalnikov

To je posebna vrsta toplotnih izmenjevalcev, ki se uporabljajo v ogrevalnih napravah, kjer so možna nihanja v režimu. V tej zasnovi je vezje za izmenjavo toplote izvedeno s pomočjo spiralne tuljave s cevmi 15-75 mm, ki je nameščena v tekočini. Koeficient prenosa toplote je precej nizek zaradi nizke hitrosti tekočine. Toplota se prenaša s prosto konvekcijo. Hitrosti so povečane z zasnovo notranjega plašča v ohišju, sami izmenjevalniki toplote pa delujejo pri nizki toplotni obremenitvi. Kljub nizki učinkovitosti se tuljavni toplotni izmenjevalniki pogosto uporabljajo zaradi preproste zasnove, nizke cene, enostavnega popravila in čiščenja.

Takšne izvedbe toplotnih izmenjevalnikov uspešno delujejo v pogojih visokega tlaka in v kemičnih okoljih, vendar se uporabljajo za ogrevanje površin do 10-15 kvadratnih metrov. m.

Ta vrsta vezja za izmenjavo toplote je priljubljena v aplikacijah, kjer se za ogrevanje uporablja para. V tem primeru razmerje med dolžino tuljave in premerom ne presega določene meje, ampak je odvisno od tlaka. Na primer, koeficient 200-275 se uporablja pri tlaku pare 2-5 atmosfer, sicer se bo v spodnjem delu tuljave kopičil parni kondenzat, kar bo prispevalo k izgubi učinkovitosti.

 

Spiralni tip krogotokov za izmenjavo toplote

Za izdelavo spiralnega izmenjevalnika toplote se uporabljata dve kovinski plošči, ki sta zloženi v spiralo. Notranji konci so privarjeni na prazno steno, zunanji konci pa so med seboj povezani z varjenjem. Tako nastaneta dva izolirana spiralna kanala z veliko površino za prenos toplote.

Prednost te vrste izmenjevalnikov toplote je kompaktnost, hkrati pa zagotavlja visoko hitrost gibanja hladilne tekočine. Uporabljajo se za ogrevanje plinov in kondenzacijo hlapov in lahko delujejo pri povišanih tlakih, vendar običajno ne višjih od 10 atmosfer. Priključki so šibka točka te vrste izmenjevalnikov toplote, za doseganje najboljše kakovosti izhoda se uporablja DSTU 12067-66.

 

Sčasoma ...

Iz tega pregleda lahko vidite, kakšne so zasnove toplotnih izmenjevalnikov, da bi povečali prenos toplote. Najbolj uporabni v ogrevalnih napravah so cevni in ploščni toplotni izmenjevalniki. Strukture lupine in cevi so precej dostopne za samoproizvodnjo. Vendar je treba upoštevati učinkovitost prenosa toplote in splošno načelo: večja kot je zmogljivost in presek toplotnega izmenjevalnika, nižja je hitrost tekočine in manjši je prenos toplote.

Dobro premišljena zasnova toplotnega izmenjevalnika, ki ustreza parametrom zgorevanja goriva, kotli na trda goriva TM "Focus", ki lahko deluje na dva načina: pri ogrevanju na drva in premog ali z gorilnikom na pelete, ki je nameščen v posebnem vratnem adapterju. Kljub uporabi de facto tehnologije na trda goriva je ogrevanje na pelete popolnoma avtonomno in avtomatizirano zaradi samodejnega dovajanja gorivnih peletov in obdelave stanja kotla s pomočjo mikrokrmilnika poljskega proizvajalca.