Благодаря тому, что греющая и нагреваемая среды движутся в противоположных направлениях друг к другу, а также благодаря извилистому руслу жидкости (по каналам), эффективность теплопередачи существенно возрастает, при этом гидравлическое сопротивление остается на относительно низком уровне.
Назначение теплообменника в системах отопления
Как следует из его наименования, теплообменник — это устройство, предназначенное для обмена теплом. В этом процессе среды или поверхности, имеющие различные температурные показатели, взаимодействуют, изменяя температурные параметры друг друга.
Теплообменники применяются в таких системах, как вентиляция, охладительные агрегаты, кондиционирование, но их значение также велико и в теплоснабжении. Эти устройства используют на различных предприятиях, в коммунальном хозяйстве и для личных нужд.
Крайне важно иметь теплообменник, например, в частном доме с автономной системой отопления. Используя такое устройство, можно контролировать температуру воздуха внутри помещений и управлять забором тепла от основного источника тепла.
Теплообменники в системах отопления
Несмотря на то что теплообменники в нашей стране не так распространены, как в других государствах, где каждый потребитель может получать необходимое количество тепла от общих сетей, в системе отопления частного дома или дачи они играют ключевую роль. Установка теплообменника в котельной помогает автоматизировать функционирование всей системы отопления и предоставляет возможность экономии.
В качестве теплоносителя чаще всего используется вода, но также могут применяться антифризы, масла и другие жидкости.
По сути, теплообменник является связующим звеном между основным источником тепла (поставщиком) и системой, которая использует тепло (конечный потребитель). Система отопления, в которой используется теплообменник, носит название независимой. В котельных устройства теплообменников устанавливают для погодного регулирования, а также для снижения износа современных трубных систем. Важно отметить, что современные трубы часто изготавливаются из пластиковых материалов, которые могут выдерживать температуру не выше 90 градусов.
При отсутствии теплообменника горячая вода, поступающая от центра (котла), передается непосредственно к потребителям — в радиаторы. Однако в этом случае котельная не контролирует подачу тепла, а оно остается неизменным независимо от потребительских запросов или погодных условий.
При установке теплообменников в индивидуальных тепловых пунктах (ИТП) жилых домов обеспечивается значительная экономия. Каждый житель имеет возможность регулировать температуру в своих квартирах с помощью термостатов на радиаторах. Температуру можно увеличивать в холодные морозы и понижать в весенние тепловые дни.
Не редкость, когда теплообменники устанавливаются и в самой котельной. Эта двойная система также помогает снизить затраты, так как в внутреннем контуре системы используется меньше теплоносителя, тем самым минимизируется образование накипи в котлах, что увеличивает их срок службы.
Системы теплообмена и роль теплообменников
Примером смесительного устройства могут служить градирни. В этих системах отходящие газы отдают тепло воде, которая распыляется из форсунок. В устройствах, где два теплоносителя протекают по раздельным контурам, тепло передается через стенки, их поверхности.
Основным признаком теплообменника является наличие высокой конструктивной поверхности, а также подводка двух различных систем. Это могут быть пар и вода, антифриз и вода, либо вода и вода. Вместо воды в различных процессах можно использовать специальные химические растворы, а вместо пара применяются нагретые газы.
Использование теплообменников дает возможность:
- Эффективно использовать остаточное тепло от генерации электрической энергии.
- Проводить химические процессы в строго определенных условиях, поддерживая необходимую температуру с помощью теплообменников.
- Применять вторичное тепло от источников энергии для бытовых нужд.
- Обеспечивать поддержание температуры теплоносителя в отопительных системах в диапазоне, соответствующем установленным стандартам.
Принцип работы теплообменника
Принцип работы поверхностных теплообменников довольно прост. Изолированные друг от друга теплоносители и потребители тепла передают друг другу энергию через материал, который разделяет их. В зависимости от конструкции это могут быть трубы, пластины или другие элементы. В данном процессе используются материалы с хорошими теплопроводными свойствами, например, нержавеющая сталь или различные сплавы. Важно, что проходящая через теплообменник среда отдает тепло хладагенту, не соприкасаясь с ним. Ключевым моментом является то, что среды не контактируют между собой и не смешиваются.
Простейшим примером теплообменника можно считать конструкцию «труба в трубе». Холодная трубка с водой проходит через трубу большего диаметра, заполненную горячим теплоносителем. В этом случае поверхность внутренней трубки нагревается и передает тепло воде. Так работают бойлеры. Если таких трубок много, и они собраны в пучок, получается кожухотрубный теплообменник. Подобные устройства с трубным пучком, закрепленные решетками с обоих концов, распространены в промышленных масштабах и применяются для подготовки бытовой воды.
Витые теплообменники представляют собой змеевики, размещенные в оболочке. Межтрубное пространство заполняется другим теплонагревателем. Эта техника применяется при высоком давлении одного из теплоносителей.
Двухтрубные теплообменники используются для передачи тепла между фазами газ и жидкость. Эти устройства могут функционировать под давлением и обеспечивать высокий коэффициент теплопередачи.
Спиральный теплообменник
Спиральные теплообменники представляют собой конструкцию в виде бочки, внутри которой лента в виде спирали образует плоский лабиринт с внутренним полостями. Горячий агент движется по спирали, обмываемый холодной водой. Такая конструкция достаточно сложна в производстве, но это единственный тип оборудования для теплообмена, который может обрабатывать агрессивные среды, содержащие взвеси и пульпы. Откидывающиеся крышки с обеих сторон позволяют легко очищать зазоры от отложений.
Пластинчатый теплообменник имеет особую конструкцию и состоит из греющих труб, собранных в виде плоских элементов с оребренной поверхностью и многоходовым движением воды между ними. Пластины напоминают гармошку. Основной недостаток таких теплообменников заключается в том, что при низком качестве водоподготовки они подвержены образованию накипи.
Для чего же нужен теплообменник в системе отопления? Если температура воды в трубах составит 90 градусов, это может привести к разрушению пластиковых труб и даже вызвать ожоги. Поэтому каждый тепловой узел оборудуется системой теплообменников, чтобы поддерживать заданные температурные параметры.
Типы оборудования в зависимости от область применения
Классификация теплообменников основывается на их основном назначении, то есть, для каких целей они будут использоваться. В соответствии с этим выделяются несколько типов:
- Кожухотрубные теплообменники — представляют собой конструкции из труб, собранных в единую связку, которая затем соединяется в виде решетки. Соединительные элементы могут быть выполнены с использованием сварки или пайки.
- Пластинчатые теплообменники — исходя из названия, можно предположить, что такие устройства состоят из пластин, которые занимают определенную площадь и соединены между собой уплотнительными средствами.
- Витые теплообменники — этот тип состоит из змеевиков, по которым движется теплая среда, занимая всё внутреннее пространство теплообменника.
- Спиральные теплообменники — это устройства, состоящие из стальных листов, которые свернуты в спираль.
- Водяные и воздушные теплообменники.
Существует множество типов теплообменников, и перечислить их все занимает много времени. Поэтому мы сосредоточимся на тех, которые были упомянуты выше. Наиболее распространённым типом на сегодняшний день являются пластинчатые теплообменники. Далее мы детальнее рассмотрим их и узнаем о специфических особенностях данного типа, а также о причинах, по которым их выбирают чаще всего.
Детальное изучение видов теплообменников
Как уже было упомянуто, наиболее популярный тип теплообменника — это пластинчатый. В свою очередь, он подразделяется на несколько вариантов:
Эти устройства состоят из отдельных пластин, которые разделены резиновыми прокладками, а также включают прижимную плиту, станины, раму и болты для крепления.
Состоят из гофрированных пластин, произведенных из нержавеющей стали. Эти пластины соединяются между собой методом пайки в вакуумной среде. В процессе пайки применяется либо медный, либо никелевый припой.
Данный тип теплообменника уникален тем, что его можно использовать в условиях высоких температур. При этом условии теплообменники с уплотнителями нельзя использовать, поэтому сварные пластинчатые теплообменники отлично подходят для тяжелых температурных режимов. Они компактны, не требуют постоянного обслуживания, а материалы, используемые для их пластин, включают нержавеющую сталь, титан или никель.
Сварные пластинчатые теплообменники применяются в системах с высокотемпературным паром, для газов и жидкостей. В таких конструкциях пластины соединены сваркой из стали. Эти устройства используются в газовых средах и в условиях, где наблюдается повышенное давление.
Эти теплообменники используют сварные кассеты, которые образуются из соединенных между собой пластин при помощи лазерной сварки. Они служат каналом для агрессивных сред.
Их применяют в технологических процессах, где задействуются агрессивные вещества (например, фреоны, аммиак) при высоких температурах и повышенном давлении. Такие теплообменники выглядят как конструкции, которые состоят из сварных кассет, разделенных резиновыми уплотнителями.
Эти устройства представляют собой множество труб, закрепленных на трубных решетках, которые впоследствии помещаются в специальный корпус и крепятся с помощью развальцовки, сварки или пайки. Решетки из труб закрываются крышками, основанными на прокладках, болтах или шпильках.
Спиральные теплообменники состоят из спиралей, которые заворачиваются в специальный сварной кожух. Процесс нагрева происходит за счет двух металлических листов небольшой толщины. Эти устройства применяются в агрессивных средах, где наблюдается высокое давление. Спирали отличаются компактными размерами и самочистятся, что делает их идеальными для использования в условиях с высоким давлением, где может образовываться пар.
Применение в химической промышленности
Теплообменники являются одним из основных видов оборудования в химической промышленности. Многие химические процессы сопровождаются либо выделением, либо поглощением тепла, и для их корректного функционирования требуются соответствующие устройства. Кроме того, необходимо эффективно отводить излишки энергии от тепловых мощностей, задействованных на химических производствах. Именно поэтому надежность аппарата по отношению к коррозии и эрозии имеет первостепенное значение. Пластинчатые теплообменники показывают максимальную эффективность, благодаря модульной конструкции, поврежденные сегменты легко заменить, и система продолжает функционировать.
На электростанциях (тепловых, атомных, ветряных, геотермальных и других) необходима качественная регулировка температуры теплоносителей, а также минимизация расхода условного топлива на каждую выработанную единицу энергии. Это критически важно для обеспечения корректного и безопасного протекания процессов. Теплообменники в энергетике используются как подогреватели сетевой воды, мазута или газа, а также для охлаждения пара и масла в турбинах. Здесь играют важную роль такие факторы, как надежность, ремонтопригодность и долговечность оборудования. Пластинчатые теплообменники прекрасно справляются с этими задачами.
Применение в пищевой промышленности
При приготовлении и обработке продуктов чаще всего происходят процессы нагрева, охлаждения и поддержания необходимой температуры. Они необходимы во многих аспектах пищевой переработки, включая консервирование, хлебопекарное производство и бродильные процессы. К теплообменникам для пищевой промышленности предъявляются строгие требования в отношении гигиенической безопасности. Выбор теплообменников для каждого производства осуществляется индивидуально, с учётом поставленных задач. Пластинчатые теплообменники стали незаменимыми в молочной, пивоваренной, спиртовой и масложировой промышленности.
Теплообменник в многоквартирных зданиях позволяет оптимизировать затраты через рациональное распределение ресурсов и повысить их КПД. Современные пункты распределения, основанные на пластиковых теплообменниках, помогают экономить до 40% энергии по сравнению с устаревшими моделями бойлеров. Важно, чтобы такие устройства обладали ремонто- и долговечностью, так как срок их эксплуатации составляет минимум 25 лет. Также обеспечивает гибкость регулировок мощности путем изменения количества пластин.
Типы теплообменников для систем отопления
Значение теплообменников для котлов не может быть переоценено, так как именно от них напрямую зависит функциональное назначение и конструкция самого котла.
Различают несколько типов теплообменников по форме передачи энергии жидкости:
- Первичный. Этот тип отвечает за передачу тепла от газов.
- Вторичный. Он служит для передачи тепла от жидкости к теплоносителю.
- Битермический. Отличается двойным обменом тепла как от теплоносителя к воде, так и от газа к теплоносителю.
Первичный теплообменник
Первичный теплообменник представляет собой трубу змеевик, выполненную из меди, которая имеет медные пластины, установленные в ее плоскости.
Поверхность устройства покрыта защитной краской, защищающей от ржавчины и механических повреждений. Мощность такого агрегата зависит от размеров трубы и количества рёбер.
Большинство первичных теплообменников по своей конструкции аналогичны. Различия между приборами заключаются лишь в способах подключения, размерах трубы и мощности устройства.
При эксплуатации могут возникать сложности, такие как отложение солей на стенках, что значительно снижает эффективность работы. Для профилактики необходимо регулярно проводить очистку, промывку и техническое обслуживание прибора.
Для уменьшения отложений внутри труб и увеличения срока службы рекомендуется использовать специальные фильтры.
Вторичный теплообменник
Вторичные теплообменники, также известные как теплообменники горячего водоснабжения (ГВС), оснащены специальными пластинами из нержавеющей стали, соединёнными друг с другом.
Эти теплообменники обеспечивают высокую теплопроводность и обладают большой площадью для теплообмена. Кроме этого, высокая скорость потока предотвращает образование солей на внутренних стенках прибора.
Мощность и площадь теплообмена в значительной степени зависят от количества установленных пластин.
Битермический теплообменник
Главным отличием этого типа является наличие сразу двух контуров: горячего водоснабжения и системы отопления. Конструкция включает трубу, заключенную внутри другой трубы, а также медные пластины на поверхности.
Внешняя труба отвечает за движение жидкости в системе отопления, в то время как внутренняя труба обеспечивает циркуляцию питьевой воды.
В режиме отопления газы при сгорании отдают тепло, которое сразу передается теплоносителю. Когда система работает от ГВС, тепло сначала направляется к теплоносителю, а затем к контуру отопления.
Внимание! Использование битермического теплообменника в жилых помещениях освобождает от необходимости установки вторичного теплообменника и трехходового клапана. Это значительно снижает стоимость котла и повышает его надежность.
Заключение
Теплообменник выступает как один из основных компонентов системы отопления. Его главная функция заключается в передаче тепла от нагревателя к холодному теплоносителю.
Теплообменники могут быть водяными или паровыми, а область их применения выходит за рамки какой-либо конкретной сферы. Они широко используются в энергетике, металлургии, пищевой и других отраслях, а также в системах отопления и вентилирования и даже в бытовых условиях.
Принцип работы теплообменника основан на циркуляции жидкости, которая служит теплоносителем в закрытом пространстве. При выборе теплообменника необходимо учитывать его предназначение, условия эксплуатации и требуемую площадь теплообмена.
Для обеспечения бесперебойной работы устройства и продления его срока службы важно вовремя проводить техническое обслуживание, очистку и промывание агрегата.
Для получения дополнительной информации о бойлерах косвенного нагрева, их принципе работы и схемах подключения, можно посмотреть видеоматериалы:
Также ознакомьтесь с обзором теплообменника для котла Daewoo MSC ICH 100 в видеоролике:
