Для чего нужен теплообменник в системе отопления

Достоинства теплообменника

Простая схема теплообменника труба в трубе не является помехой для его значительной популярности. Что касается обслуживания, то простота устройства дает возможность проводить его самостоятельно, без привлечения сантехников.

К основным преимуществам аппаратов данного типа можно отнести следующее:

1. Оптимальная скорость транспортировки теплоносителя. Это достигается благодаря тщательному подбору водопроводных труб необходимого диаметра: это дает возможность раствору двигаться внутри системы беспрепятственно.
2. Простота изготовления и ухода. Это позволяет без проблем проводить регулярную чистку устройства, позитивно влияющую на продолжительность его службы.
3. Универсальность. Данное свойство теплообменника позволяет использовать не только жидкий, но также парообразный теплоноситель. Как результат, аппарат с успехом может применяться в самых разных системах.

К недостаткам оборудования обычно относят такие моменты:

• Большие размеры. Это накладывает свой отпечаток как на транспортировку, так и эксплуатацию прибора. Особенно это касается приватного использования, т.к. дополнительное пространство на установку аппарата найти не всегда просто.
• Дороговизна. Стоимость наружных труб, не занятых в теплообмене, а также труб, которыми оснащается грунтовый теплообменник (если они имеются в общей конструкции) довольно значительна.
• Сложность проектирования. Данная процедура по силам разве что профессионалам, так как требует проведения сложных вычислений и знания точных параметров системы. Как результат, общая стоимость монтажных работ увеличивается.

Несмотря на имеющиеся недостатки теплообменников труба в трубе, положительные стороны это успешно компенсируют: это объясняет большую популярность данных аппаратов не только в промышленных сферах, но и частных домовладениях.

Основные виды теплообменных аппаратов

Согласно формам строения теплообменники разделяют на две большие группы – пластинчатые и трубчатые. Первые получили наибольшее распространение в пищевой промышленности, горячем водоснабжении и отоплении частных домов. Они представляют собой набор пластин с рифленой поверхностью и каналами, соединенные в единый аппарат с помощью прокладок и стяжек. Патрубки, по которым теплоноситель и теплоприемник поступают в устройство и выходят из него чаще всего располагаются на передней и задней поверхностях плит, что обеспечивает легкость эксплуатации.

Согласно методу соединения виды теплообменников пластинчатого типа разделяются на группы:

• Разборные – герметизацию которых обеспечивают резиновые уплотнители. Их главными преимуществами являются легкость установки и эксплуатационного обслуживания, благодаря чему их активно используют на заводах и в домах. Недостатком же следует считать необходимость регулярной замены прокладок, а также отсутствие возможности работы с агрессивными средами.
• Паянные теплообменники имеют более прочную конструкцию. Их изготавливают сугубо из высококачественной нержавеющей стали, а процесс пайки производится при создании условий вакуума. Они редко требуют эксплуатационного ремонта и способны эффективно работать с кислотами и щелочами, что сделало их неотъемлемой частью химической промышленности.
• Сварные теплообменники, изготовленные из стали, титана или никелевых сплавов, используются в самых экстремальных условиях высокого давления и температур.

Трубчатые теплообменники применяются преимущественно в производстве, а также в качестве конструктивного элемента бытовой техники – холодильников и кондиционеров. Их общим преимуществом является устойчивость к суровым условиям работы: высоким и низким температурам, агрессивным средам и создающемуся внутри давлению.

Наиболее простой моделью трубчатого теплообменника является конструкция «труба в трубе», при которой по внутреннему контуру проходит теплоноситель, а по внешнему – теплоприемник. Возможность вариации диаметра труб с целью обеспечения оптимальной скорости движения сред и легкость обслуживания послужили главным фактором применения этой модели. Но ее внушительные габариты при малой эффективности нагрева заставили конструкторов искать иные варианты конструкций.

Ныне виды теплообменных аппаратов трубчатого типа включают достаточно большой ассортимент конструкций, используемых во всех отраслях промышленности:

• Кожухотрубные теплообменники представляют собой множество труб малого сечения, объединенных одним кожухом. Соединенные в решетку, они представляют собой компактное устройство с высокой эффективностью работы. При необходимости увеличения объема жидкостей и скорости кожухотрубные теплообменники объединяют между собой в секционные конструкции.
• Витые устройства – система труб, предназначенных для теплоносителя и теплоприемника, плотно закрученные вокруг сердечника. Компактные и высокопродуктивные аппараты.
• Спиральные теплообменники имеют аналогичную конструкцию, с той лишь разницей, что оба смежных канала обвивают центральную перегородку устройства. Их главная функция – нагрев и охлаждение вязких, тягучих жидкостей.
• Оросительные устройства представляют собой спираль с желобом, на который стекает жидкость. Такая конструкция теплообменника актуальна для создания систем вентиляции и кондиционирования, обеспечения работы морозильных и охладительных камер.

Наибольшую распространенность во всех сферах промышленности и жизни людей ныне занимают пластинчатые теплообменники, которые за счет рифленой поверхности контуров обеспечивают максимальное прилегание и циркуляцию сред. Такая конструкция обеспечивает наивысшую эффективность при компактных размерах и простоту технического обслуживания.

Общие сведения

Теплообменный (или теплоиспользующий) аппарат является одним из наиболее распространенных и важных элементов энергетических, коммунально-бытовых и технологических установок. Любые преобразования энергии из одного вида в другой, а также передача энергии от одного аппарата либо машины к другому сопровождаются переходом некоторой части всех других видов энергии в тепловую

Поэтому практически во всех машинах и аппаратах теплообмен имеет важное значение

На теплоиспользующие аппараты приходится значительная доля капиталовложений в энергетические, коммунально-бытовые и технологические установки. При строительстве тепловых электростанций (если учесть, что паровые котлы также являются теплообменниками) капиталовложения в теплообменные аппараты составляют до 70 % капиталовложений на оборудование станций. На современных нефтеперерабатывающих заводах капиталовложения в теплообменные аппараты достигают 40—50 %, на газобензиновых заводах — 40 %.

Теплообменные аппараты, как и другие элементы энергетических, коммунально-бытовых и технологических установок, работают в условиях переменного режима. Однако эксплуатационные, статические и динамические характеристики теплообменных аппаратов зависят не только от изменения расходных режимов и технологических параметров потоков, но и от таких факторов, как накопление загрязнений, накипи, сажи, смол на стенках труб, появление коррозии и др.

Высокая тепловая производительность теплоиспользующего аппарата определяется многими факторами, в первую очередь интенсивным теплообменом, высокой теплопроводностью материала, малым заносом поверхностей теплообмена, своевременной продувкой и промывкой внутренних полостей аппарата, поддержанием оптимального режима работы. Экономичность работы аппарата может быть достигнута малыми затратами энергии на прокачивание теплоносителей, минимальным уносом технологического продукта с продувочными газами и промывочными водами, увеличением межремонтных периодов, максимальной механизацией и автоматизацией обслуживания. Заданные технологические условия процесса (температура, давление, химический состав и концентрация среды, время технологической обработки) и высокое качество продукции обеспечиваются выбором оптимальных температур теплоносителей, правильным расчетом поверхности теплообмена, подбором надлежащих конструкционных материалов, не вступающих в химическое взаимодействие со средой, выбором наивыгоднейших скоростей теплоносителей, строгой цикличностью или непрерывностью процесса и удобством его регулирования.

Достоинства и недостатки

Широкое распространение пластинчатых теплообменников обусловлено следующими достоинствами:

• компактными габаритами. За счет использования пластин существенно увеличивается площадь теплообмена, что снижает общие габаритные размеры конструкции;
• простотой монтажа, эксплуатации и технического обслуживания. Модульная конструкция агрегата позволяет легко разобрать и промыть требующие очистки элементы;
• высоким КПД. Производительность ПТО составляет от 85 до 90%;
• доступной стоимостью. Кожухотрубные, спиральные и блочные установки, при сходных технических характеристиках, стоят значительно дороже.

Недостатками пластинчатой конструкции можно считать:

• необходимость заземления. Под действием блуждающих токов в тонких штампованных пластинах могут образовываться свищи и другие дефекты;
• необходимость использования качественных рабочих сред. Поскольку поперечное сечение рабочих каналов небольшое, применение жесткой воды или некачественного теплоносителя может привести к засору, что снижает интенсивность теплопередачи.

Классификация теплообменного оборудования предприятий

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последние принято называть теплоносителями. Теплообменные аппараты различают по назначению, принципу действия, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим знакам .

По назначению теплообменные аппараты делятся на подогреватели, испарители, конденсаторы, холодильники и т. д.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными называются такие аппараты, в которых тепло от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку. Примером таких аппаратов являются паровые котлы, подогреватели, конденсаторы и др.

Регенеративными называются такие аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячей жидкости тепло воспринимается стенками аппарата и в них аккумулируется, при протекании холодной жидкости это аккумулированное тепло ею воспринимается. Примером таких аппаратов являются регенераторы мартеновских и стеклоплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей и др.

В рекуперативных и регенеративных аппаратах процесс передачи тепла неизбежно связан с поверхностью твердого тела. Поэтому такие аппараты называются также поверхностными.

В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. В этом случае теплопередача протекает одновременно с материальным обменом. Примером таких теплообменников являются башенные охладители (градирни), скрубберы и др.

Если участвующие в тепломассообмене горячий и холодный теплоносители перемещаются вдоль поверхности нагрева в одном и том же направлении, тепломассообменный аппарат называют прямоточным, при встречном движении теплоносителей и сред — противоточным, а при перекрестном движении — перекрестноточным. Перечисленные схемы движения теплоносителей и сред в аппаратах называют простыми. В том случае, когда направление движения хотя бы одного из потоков по отношению к другому меняется, говорят о сложной схеме движения теплоносителей и сред.

Классификация рекуперативных теплообменников

Наибольшее распространение получили в промышленности рекуперативные теплообменные устройства. По конструктивному исполнению выделим несколько типов:

• Кожухотрубные теплообменники представляют собой приваренные к кожуху пучки труб, прикреплённых к трубным решеткам, закрывающихся крышками на прокладках или болтах. Через имеющиеся на корпусе штуцера первый теплоноситель течет по межтрубному пространству, а другой по трубам. В таких многоходовых теплообменниках на корпусе или крышке вмонтированы перегородки. Чтобы повысить теплоотдачу, трубы подвергаются оребрению путем накатки или навивки ленты. Элементные теплообменники представляют собой совокупность элементов типа простейшего кожухотрубного устройства без перегородок. Они могут допускать высокое давление, однако, конструкция их более громоздка и тяжела.
• Погруженные теплообменники сконструированы таким образом, что один теплоноситель погружен в емкость с другим. Такие агрегаты дешевы и просты, но из-за того, что жидкость в межтрубном пространстве не обладает большой скоростью — теплоотдача невысока.
• Теплообменники типа «труба в трубе» находят применение при высоких давлениях и малых расходах теплоносителя в системе.
• Оросительные теплообменники находят применение в холодильных установках в качестве конденсаторов.
• Графитовые теплообменники предназначены для химически агрессивных жидкостей. Графит — очень хороший проводник тепла, его пропитывают специальными смолами, чтобы убрать пористость. Само устройство состоит из графитовых блоков, уплотнённых между собой резиновыми или тефлоновыми прокладками, зафиксированных крышками.
• Пластинчатые теплообменники состоят из пластин, поверхность их отштампована специальным способом для образования каналов, по которым проходит теплоноситель (например, незамерзающая жидкость системы отопления). Пластины между собой уплотняются. Такое устройство несложно в изготовлении, легко меняется количество пластин, чистится, имеет высокий показатель теплоотдачи, но не выдерживает высокого давления.
• Пластинчато-ребристый теплообменник имеет маленький вес и небольшие габариты;
• Оребрённо-пластинчатые теплообменники состоят из тонких оребрённых панелей, изготавливающихся с помощью высокочастотной сварки. Конструкция и используемые материалы позволяют добиваться высоких температур теплоносителей, малого гидравлического сопротивления, высокого КПД, большого срока службы, небольшой стоимости и прочего. Зачастую его применяют для утилизации тепловой энергии газов.
• Спиральные теплообменники имеют два канала, навитые в виде спирали вокруг главной разделительной перегородки, они предназначены в основном для нагревания и охлаждения жидкостей, имеющих высокий показатель вязкости.

Сборка воздушного пластинчатого теплообменника своими руками с вентилятором

Сделаем из пластинчатого теплообменника бытовой обогреватель. Его можно, например, подсоединить к котлу с водяной рубашкой.

Понадобится:

• готовый пластинчатый теплообменник, небольшого размера;
• патрубки для воздуховода;
• вентилятор;
• фанера для сборки каркаса (её размеры должны совпадать с размерами боковых стенок теплообменника) – 4 шт;
• фанера для фронтальной части каркаса – 1 шт;
• лист металла;
• брусок (такой длины, чтобы хватило на рамку и 4 коротких бруска);
• саморезы;
• рулетка;
• электролобзик;
• шуруповёрт.

Ход работы:

1. Из фанерных кусков сбивается ящик. Внутренние углы фиксируются при помощи брусков на саморезы. Теплообменник должен плотно вставляться в каркас.
2. На одну сторону каркаса крепим лист металла, посередине прорезаем отверстие, в которое будет вставлен вентилятор.
3. Делаем рамку из бруска. Крепим её на противоположной стороне каркаса.
4. К рамке приделываются патрубки для воздухоотвода.

Установив такой прибор на пути следования холодного воздуха с улицы, можно получить свежий, но тёплый воздух. Потери тепла из-за вентиляции помещений сократятся в 3 раза.

Процесс промывки

Промывка теплообменника – важный процесс, который стоит выполнять регулярно, иначе несвоевременная его очистка может привести к возникновению проблем в работе двигателя. Однако это, в частности, применимо к конкретному фрагменту общей системы терморегуляции машины, а именно к радиатору.

Нормальная работа охладительной системы, предназначенная для охлаждения двигателя, не может осуществляться вечно. Для обеспечения работоспособности необходимо регулярно проводить профилактические манипуляции. Радиатор является устройством, которое подвергается частому и большому воздействию грязи и пыли. Потому необходимо совершать периодическую промывку теплообменника.

Причиной частого перегревания авто может послужить наличие сбоев в работе радиатора. В зависимости от того, стал ли он разбитым или загрязненным, можно решить данную проблему двумя соответствующими путями:

1. Приобрести в магазине новое устройство.
2. Промыть теплообменник и почистить его.

Чтобы очистить радиатор изнутри, необходимо для начала удалить из него антифриз, путем сливания

Важно помнить, что если вещество является чистым, то в проведении данного процесса нет необходимости. Если же жидкость оказалась загрязненной, то следует влить в охладительную систему воду без примесей

Далее нужно завести авто и позволить ему работать в течение 15-25 мин., а потом воду следует слить. Операцию проводят многократно до момента, пока жидкость не станет чистой.

Промыть теплообменник следует тщательно. Усиление эффекта может достигаться использованием жидкости с добавлением специальных чистящих средств. Однако не следует прибегать к злоупотреблению ими, ведь достаточно пары граммов. Использование чрезмерного количества чистящих средств может повредить систему, отвечающую за охлаждение.

После того, как автомобильный теплообменник был промыт, из него снова сливают воду с примесью моющего вещества и заливают уже чистую и повторяют процедуру не меньше пяти раз. Некачественное удаление остатков моющих компонентов может негативно сказаться на радиаторе и привести к образованию коррозии. Чтобы избежать появления накипи, в жидкость антифриза вливают разнообразные присадки, которые наделены антикоррозийными и смазывающими свойствами. Они препятствуют процессу образования ржавчины, а также другим видам отложений внутри радиатора.

Не следует забывать и о том, что забивка радиатора снаружи, например пухом, шерстью или пылью, также может привести к перегреву автомобильного двигателя. Чтобы решить данную проблему, обычно применяют метод продувания теплообменника. Сначала его отделяют от авто, а далее посредством использования обычных мини-моек или простой водяной струей, находящейся под действием давления, промывают и продувают. Не забывайте о том, что использование чрезмерной силы давления может повредить радиатор. Старайтесь обходиться без применения химических средств, которые включают в себя агрессивные кислотные составляющие.

На завершающем этапе очистки необходимо сменить жидкость для охлаждения и откачать лишний воздух из пространства системы. Воздух может образовываться в ходе заливки антифриза. Этот процесс осуществить можно при помощи открытия крышки радиатора, а далее необходимо просто запустить двигатель на некоторое время (около пары минут). После того, как пробки, образованные воздухом, покинут внутреннюю систему устройства, следует добавить антифриз и поставить крышку на место, плотно ее закрепив.

Эффективность

Использование грунтово-воздушных теплообменников как для частичного, так и для полного охлаждения и/или нагревания воздуха, вентилируемого в помещении, проходило с переменным успехом. К сожалению, литература переполнена чрезмерными обобщениями о «плюсах» и «минусах» применимости этих систем. Ключевым аспектом грунтово-воздушных теплообменников является пассивная природа работы и возможность применения в широком спектре природных условий.

Грунтово-воздушные теплообменники могут быть крайне рентабельными как в отношении предварительных, так и капитальных затрат, а также долговечными и дешевыми в обслуживании. Однако это сильно зависит от широты местности, высоты над уровнем моря, температуры окружающей среды, максимумов климатической температуры и относительной влажности, солнечной радиации, уровня воды, типа почвы (теплопроводности), содержания влажности в почве и внешнего проектирования системы или ее изоляции. В основном сухая почва с низкой плотностью, малым количеством или полностью отсутствующим слоем грунта может принести меньше всего выгод, хотя плотная влажная почва со значительным слоем грунта должно улучшить характеристики системы.

Система замедленного дренажа конденсата может улучшить тепловые характеристики. Влажная почва в контакте с охлаждающими трубами будет проводить тепло гораздо эффективнее, чем сухая почва.

Подземные охлаждающие трубы гораздо менее эффективны в жарком влажном климате (как во Флориде), где температура окружающей среды приближается к комфортной для людей температуре. Чем выше температура окружающей среды, тем менее эффективна система для охлаждения и осушения воздуха. Однако, почва может использоваться для частичного охлаждения и осушения заменяемого воздуха, поступающего в термическую буферную зону с пассивной солнечной подпиткой, например, в прачечной или террасе/теплице, особенно – в тех зонах, где есть купель, плавательная спа-зона или внутренний плавательный бассейн, где теплый влажный воздух извлекается летом, и требуется более холодный и сухой компенсационный воздух.

Не для всех регионов и мест пригодны грунтово-воздушные теплообменники. Среди условий, которые могут препятствовать правильному использованию систем – поверхностная скальная порода, высокий уровень воды и неподходящее пространство. В частности, в некоторых районах должна быть обеспечена тепловая перезарядка почвы. В бифункциональных системах (как нагревания, так и охлаждения) теплое время года обеспечивает тепловую перезарядку почвы для холодного сезона, а холодный сезон обеспечивает тепловую перезарядку почвы для теплого сезона, хотя даже для них стоит предусматривать вариант перегрузки теплового резервуара.

«Renata Limited» — выдающаяся фармацевтическая компания в Бангладеш проверила пилотный проект, пытающийся обнаружить, можно ли использовать туннельный грунтово-воздушный теплообменник в качестве дополнения к традиционной системе кондиционирования воздуха. Бетонные трубы с общей длиной в 60 футов (около 18,25 м), внутренним диаметром в 9 дюймов (около 23 см) и внешним диаметром в 11 дюймов (около 28 см) были закопаны на глубине в 9 футов (около 2,75 м) под землей, использовался вентилятор с расчетной мощностью 1,5 кВт.

Подземная температура на глубине оставалась на уровне в 28 C. Средняя скорость движения воздуха в туннеле составляла около 5 м/с. КПД подземного теплообменника, созданного таким образом, было малым и составляло от 1,5 до 3 ед. Результаты убедили власти, что в жарком и влажном климате неблагоразумно воплощать на практике концепт грунтово-воздушного теплообменника. Вторичный холодоноситель (сам грунт) изменяет температуру окружающей среды, что является главной причиной провала подобных принципов в жарких, влажных регионах (части Юго-Восточной Азии, американский штат Флорида и так далее).

Однако исследователи из Британии и Турции докладывали о чрезвычайно высоком КПД, превышающем 20 единиц. Температура под землей кажется самым важным показателем для проектирования грунтово-воздушного теплообменника.