Конструкції теплообмінників ... або як зробити недороге опалення

Ефективність витрати енергоресурсу повністю залежатиме від здатності опалювального агрегату акумулювати тепло. Це здійснюється та залежить від конструкції теплообмінників. Чим краще підібрана ця частина опалювального приладу, тим доступніше стає недороге опалення у вашому будинку.

Теплообмінник є контуром, в якому енергія палива передається теплоносію, що подається в батареї. Іншими словами, якщо для прикладу взяти пелетний котел, тепло, що утворюється при горінні у вигляді диму, проходить через трубчастий теплообмінник, який відбирає тепло у продуктів згоряння.

Ефективність опалення залежить від багатьох параметрів, але основним елементом залишається теплообмінник та його конструкція. Передача тепла прямопропорційна площі контакту. Тому конструкція передбачає максимальне збільшення цієї характеристики.

Види конструкцій теплообмінників та їх роль у недорогому опаленні

Відомо два типи теплообмінників, які використовуються в опалювальних приладах:

• поверхневі, у яких перенесення тепла між середовищами здійснюється через загальну поверхню обміну – зазвичай, глуху стінку з металу;
• теплообмінники змішування, в яких тепло віддається при зіткненні середовищ.

Менш часто використовуються різні регенеративні теплообмінники та рекуператори, в них нагрівання теплоносія відбувається за рахунок поверхневого контакту з нагрітими раніше конструкціями. Наприклад, з насадкою, що нагрівається іншим теплоносієм. Така конструкція вторинної передачі тепла характерна для буферних ємностей, які рекомендується встановлювати для твердопаливних котлів (не пеллетних).

Найчастіше використовуються поверхневі теплообмінники, типи та форми яких мають суттєві відмінності. Є й типові конструкції, нормалізовані за параметрами та стандартами.

Розрізняють конструкційні типи теплообмінників, що мають значні відмінності та розрізняються за принципом теплообміну:

• трубчасті;
• пластинчасті;
• спіральні;
• змійовики та інші малозастосовувані.

Матеріали для теплообмінників

Для обміну теплом різними середовищами доцільно вибирати матеріал з високою тепловіддачею та здатністю до накопичення теплової енергії. Найкращим вважається мідь, але мідні теплообмінники досить рідкісні через високу вартість. Зазвичай такі конструкції виготовляються з вуглецевих та легованих металів, рідше з титану та танталу, що більш характерно для промислових агрегатів.

Спеціалізована термосталь в Україні не виробляється, оптимальним вибором вважається чорний метал із вуглецевої сталі, оскільки нержавіюча сталь не забезпечує максимальних характеристик, але коштує дорожче.

Незважаючи на досить велику кількість нормалізованих конструкцій теплообмінників, перевага надається простим і зручним в очищенні по елементах опалювальних приладів, а також конструкціям, що мають на увазі зручний монтаж і забезпечують простоту доступу до поверхні теплообміну.

Дуже нестандартним теплообмінником, але широко використовується в побуті, є керамічна цегла або будь-який інший камінь. Це матеріали, з яких споконвіку кладуть печі. Крім первинної віддачі тепла при горінні, кераміка печі або камінь корпусу каміна добре накопичує тепло і забезпечує тривале нагрівання повітряних мас навколо печі, будучи, по суті, вторинним теплообмінником змішування великої площі.

З цього випливає, що теплообмінник, контактуючи з продуктами згоряння, може бути забруднений, внаслідок чого зменшується теплопередача та тепловіддача між обмінними середовищами. Конструкції напівпромислових опалювальних приладів, наприклад, твердопаливні котли ТМ «Фокус» з адаптером дверей для пелетних пальників мають на увазі очищення теплообмінника від сажі методом струшування або за допомогою пневматичної системи при автоматичному чищенні.

Потрібно враховувати і те, що ефективність використання палива залежить від температури його згоряння, ефективності горіння продуктів первинного згоряння. Чим краще спалюється паливо, тим недороге опалення ви отримуєте, тим безпечніші викиди в атмосферу.

Трубчасті теплообмінники

Кожухо-трубчасті теплообмінні контури

Це найбільш застосовувані теплообмінники у промислових та напівпромислових котлах, включаючи газові та твердопаливні побутового класу. На малюнку показана принципова конструкція, що включає корпус (кожух) та пучок труб, приварених до нього. У такому теплообміннику одне середовище, зазвичай теплоносій, рухається всередині труби (зазвичай водна), друга – в середовищі між труб (зазвичай, повітряна).

Особливістю цього теплообмінників є протитік середовищ. І тут забезпечується максимальна тепловіддача. Це з напрямом, у якому природно рухається середовище теплообміну за зміни щільності за умов нагрівання і зниження її температури.

Протиток також забезпечує рівномірний розподіл швидкостей та умови теплообміну, пропорційні площі поперечного перерізу труби з пучка. При альтернативному омиванні трубного елемента, у разі подачі гарячої або холодної води, вона накопичуватиметься в одній із частин пучкового теплообмінника, вгорі або внизу, утворюючи «зони застою».

Розміщення труб у пучку також має значення для теплообміну. Зазвичай їх розміщують у вершинах шестикутника або по концентричних кіл (рідше). Коли потрібно зручне очищення поверхні теплообміну, труби розміщують у пучку по вершинах прямокутника (коридорне розміщення).

Труби кріплять розвальцюванням, уникаючи різних різьбових кріплень (допускаються у побутових казанах). Але міцне з'єднання забезпечується в отворах з кільцевими канавками, що заповнюються матеріалом труби при розвальцювання. У деяких випадках труби кріплять зварюванням. Допускаються інші типи з'єднань труб, включаючи паяння. Паяють переважно мідні та латунні труби.

Альтернативою вважається кріплення за допомогою сальників, що передбачає швидку заміну. Однак з'єднання складне, невиправдане за ціною та ненадійне.

Конструкції теплообмінників такого типу бувають одно- та двоходовими. Одноходові теплообмінники мають низьку швидкість руху теплоносія, тобто тепловіддача досить низька. Це притаманно гравітаційних систем без насоса. Щоб збільшити тепловіддачу таких системах, збільшують довжину труб і зменшують діаметр. Такі конструкції не дуже зручні, тому використовують альтернативну версію – багатоходові теплообмінники.

Багатоходові труби в пучку більше підходять для промислового виготовлення, оскільки припускають наявність поперечних перегородок у порожнині труби. Такі секційні труби пучка можуть бути виконані спеціалістами. Враховуйте, що розбивка має бути однаковою у всіх трубах і має бути однаковою кількість ходів, щоб забезпечити однакові параметри теплообміну.

За рахунок конструкції швидкість проходження рідини в багатоходових теплообмінниках зростає (у число разів за кількістю ходів) за тих же показників опалювального приладу, і ви отримуєте недороге опалення за рахунок ефективного відбору тепла. У багатоходових конструкціях теплообмінників використовуються перегородки, які є опорами для пучка труб.

Потрібно враховувати, що підвищення інтенсивності теплообміну сприяє підвищенню опору середовища, з чого випливає і складніша конструкція теплообміну, яку можна отримати тільки із застосуванням спеціальних розрахунків. Економічно-доцільна кількість ходів зазвичай не перевищує 5-6. Теплоносій для таких теплообмінників потрібно спеціально готувати з метою усунення з рідини кисню та неконденсованих газів. Для усунення пробок використовують продувальні клапани.

Більш популярними є горизонтальні теплообмінники, вони працюють у промислових опалювальних системах на високих швидкостях і усувають розшарування рідин, що виникає через різницю температур і щільностей, а також дозволяють усунути утворення застійних зон.

Щоб створити певну напругу і досягти заданої швидкості, труби пучка та кожух подовжуються неоднаково. Кожухо-трубні теплообмінники можуть мати конструкцію з пристроями, що компенсують: лінзовим конденсатором, плаваючою головкою, U-подібними трубами. Це робиться зменшення трубних деформацій, що з різницею температур труб і кожуха, довжиною труб, відмінністю матеріалів труб і кожуха, зокрема, компенсації надлишкового тиску. Незважаючи на ефективність, теплообмінні контури зі складною конструкцією складні в очищенні.

Такі теплообмінні контури стандартизовані ДСТУ 9929—67.

Елементні теплообмінники

Цей вид теплообмінників відповідає модульному принципу. Теплообмінний контур складається з окремих нагрівальних елементів, кожен з яких є кожухо-трубчастим контуром. Перевагою такої конструкції є спрощення виготовлення теплообмінного контуру в порівнянні з багатоходовою версією, зручність монтажу та очищення в процесі експлуатації, збільшення швидкості циркуляції теплоносія поряд з вищою тепловіддачею.

Такий вид контурів не підходить для великих котелень, оскільки суттєво збільшується розмір обладнання.

Теплообмінники типу «труба в трубі» (двотрубчасті)

Двотрубчасті теплообмінники є конструкцією типу «труба в трубі», теплоносій в них рухається, як у внутрішній, так і в зовнішній трубі, забезпечуючи покрокову віддачу і відбір тепла. Внутрішні елементи типу труба в трубі з'єднуються калачами, зовнішні - патрубками.

Висока швидкість руху рідини забезпечується рахунок невеликих поперечних перерізів 1—1,5 м/с. Така конструкція особливо підходить для казанів з високими робочими тисками. Якщо потрібний більший розмір теплопровідної поверхні, теплообмінники цього типу виконуються в кілька секцій труба в трубі.

Пластинчасті теплообмінники

Цей вид теплообмінника використовує гофровані паралельні пластини, завдяки чому створюється система вузьких каналів завширшки всього 3-6 мм. Ця особливість робить пластинчастий теплообмінник ефективнішим у порівнянні з трубчастим. Рідини рухаються у каналах між суміжними пластинами. Завдяки цьому стають можливими високі коефіцієнти теплопередачі до 3800 вт/м2 [3000 ккал/(м2·ч·град)] навіть при дуже низькому гідравлічному опорі. Дані теплообмінники не розраховані працювати при високому тиску.

Оребренная конструкція тілообмінника

Срібні теплообмінні контури відносяться до найефективніших. Така конструкція теплообмінника підходить для теплоносія з низьким значенням тепловіддачі (гази та в'язкі рідини).

Змійникові конструкції теплообмінників

Це спеціальний вид теплообмінників, які у нагрівальних приладах, де можливі коливання режиму. У такій конструкції теплообмінний контур реалізований за допомогою спірального змійовика із трубами 15-75 мм, який поміщений у рідину. Коефіцієнт тепловіддачі досить невеликий через низьку швидкість проходження рідини. Тепло передається вільною конвекцією. Швидкості збільшуються за рахунок конструкції внутрішньої склянки в корпусі, а теплообмінники самі працюють при низькому тепловому навантаженні. Незважаючи на низьку ефективність, змійникові теплообмінники знаходять досить широке застосування через просту конструкцію, низьку вартість, доступність ремонту та очищення.

Такі конструкції теплообмінників успішно працюю в умовах високого тиску та в хімічних середовищах, але застосовуються при поверхнях нагріву до 10-15 кв. м.

Цей тип теплообмінного контуру популярний в умовах, коли використовується водяна пара для нагрівання. У цьому випадку відношення довжини змійовика до діаметра не перевищує певної межі, але залежить від тиску. Наприклад, коефіцієнт 200-275 застосовується при тисках пари 2-5 атмосфер, інакше буде накопичуватися паровий конденсат у нижній частині змійовика, що сприятиме втраті ККД.

Спіральний тип теплообмінних контурів

Для виготовлення спірального теплообмінника використовуються два металеві листи, які згортаються по спіралі. Внутрішні кінці приварені до глухої стінки, а зовнішні з'єднуються зварюванням один з одним. Так утворюються два ізольовані спіральні канали з великою поверхнею теплопередачі.

Перевагою цього виду теплообмінників є компактність, при цьому забезпечують високу швидкість руху теплоносія. Вони застосовуються для нагрівання газів і конденсації парів і можуть працювати при підвищеному тиску, але, як правило, не вище 10 атмосфер. Слабким місцем такого типу теплообмінників є з'єднання, для досягнення найкращої якості випуску використовується ДСТУ 12067-66.

В підсумку…

З цього огляду можна ознайомитись, якими бувають конструкції теплообмінників, щоб максимізувати тепловіддачу. Найбільш застосовними в приладах опалення вважаються трубчасті та пластинчасті теплообмінники. Кожухотрубні конструкції цілком доступні для самостійного виготовлення. Але потрібно враховувати ефективність теплообміну та загальний принцип: чим більша ємність та переріз теплообмінника, тим менша швидкість руху рідини та нижча теплопередача.

Добре продуману конструкцію теплообмінника, що відповідає параметрам горіння палива, мають твердопаливні котли ТМ «Фокус», які можуть експлуатуватися у двох режимах: при опаленні дровами та вугіллям або з пелетним пальником, який встановлюється у спеціальний дверний адаптер. Незважаючи на використання де-факто твердопаливної технології, пелетне опалення повністю автономне та автоматизоване за рахунок автоматичної подачі паливних гранул та обробки станів котла мікроконтролером польського виробництва.