Как использовать теплообменники для получения ГВС от отопления
Есть несколько возможностей нагревать воду для бытовых нужд при помощи теплообменника и отопления:
- Нагрев проточной воды. Недостаток — ограниченные возможности по расходу горячей воды, отсутствие запаса, сложность реализации поддержания стабильной температуры (надо организовывать узел подмеса или ставить контроллер). Достоинства — требуется мало места, малое количество компонентов.
- Нагрев воды в какой-то емкости. Теплообменник для горячей воды от отопления опускается в какую-то емкость, заполненную водой. По сути, это уже бойлер косвенного нагрева. Но в нем установлен теплообменник и подключается он к ГВС. Но речь сейчас не о них, так что не в этой статье.
Самый элементарный теплообменник — труба, по которой бежит теплоноситель
Устройство, технические характеристики и принцип работы
Пластинчатый теплообменник состоит из следующих элементов:
- Недвижимая плита.
- Подвижная плита.
- Патрубки с резьбовым соединением, фланцевым соединением и приваренным соединением.
- Пакет скрепленных герметично пластин.
- Направляющая нижняя и верхняя.
- Резьбовые стойки для крепления, шпильки для крепления.
Устройство пластинчатого теплообменника
Пластины теплообменника штампуются из тонких листов стали толщиной до 1,0 мм. Проточную часть пластин делают ребристой или гофрированной (для турбулизации потока и увеличения поверхности теплообмена). Могут изготавливаться из стали, меди, графита, гофрированного титана. Смотря где будет применяться пластинчатый теплообменник. Сложные сплавы выбираются для противостояния негативному воздействию среды. К примеру, титановые пластины для теплообменников подойдут для судов дальнего плавания (в данном случае среда – морская вода).
К пластинам теплообменника прикрепляются прокладки из резины. Теплоносители двигаются или параллельно пластинам, или через отверстия в другой канал. Работа теплоносителей в ПТО происходит противотоком, прямотоком и по смешанной схеме.
Подбор пластинчатого теплообменника для отопления и его расчёт осуществляется при помощи программного обеспечения, специально подготовленного для этих целей.
Параметрами являются:
- первоначальная температура теплоносителя;
- желаемая температура нагрева жидкости;
- нужный расход нагреваемой среды;
- расход теплоносителя.
Производителем пластинчатых и кожухотрубных теплообменников является шведская ]Альфа Лаваль.
О принципе действия
Пластинчатый теплообменник принцип действия имеет достаточно сложный. Пластины в конструкции располагаются под углом в 180 градусов относительно друг друга. Зачастую производители делают это попакетно, следовательно, компонуются сразу четыре изделия и создается пара коллекторных контуров – подача жидкости и «обратка». Хотя стоит знать, что крайние пластины не принимают никакого участия в процессе теплообмена.
Собственно, с принципом действия устройства все более-менее понятно. Сейчас же рассмотрим классификацию данной конструкции – в соответствии с ней теплообменники могут быть трех типов.
- Одноходовые приборы, в которых теплоноситель циркулирует перманентно, в одном и том же направлении по всей площади системы. Помимо того, здесь имеет место и противоток жидкостей.
- Многоходовые приборы, которые можно использовать исключительно в тех случаях, когда разница в температуре носителей тепла не слишком высокая. Потоки жидкости здесь будут двигаться в различных направлениях.
Что же касается технических характеристик таких теплообменников, то они следующие:
- рабочая температура колеблется в пределах между -25 и +200 градусами;
- потребление рабочей жидкости составляет от 5 до 2 000 кубометров в час;
- площадь системы – разная, в зависимости от того, с какой целью ее будут использовать.
Кожухотрубный теплообменник
Кожухотрубный теплообменник – устройство, в корпусе которого расположена одна или несколько труб. Установка состоит из секций, нарастив которые, можно увеличить мощность. КПД конструкции составляет 70%.
Кожухотрубный теплообменный аппарат для отопления и горячего водоснабжения
Производители нашли способы приблизить КПД трубного теплообменника к пластинчатому:
спиральное расположение пучка труб;
многоходовая циркуляция греющей жидкости;
оребрение – лента в виде гармошки или спирали, расположенная на внутренней стороне труб.
Установка менее подвержена появлению накипи, чем другие типы теплообменных аппаратов.
Для кожухотрубного теплообменника характерны следующие недостатки:
1. Снижение эффективности изделия в 3-4 раза при появлении накипи.
2. Нарушение вальцовки и протечка труб из-за постоянного изменения температуры.
3. Наружная рубашка теплообменника подвержена появлению свищей.
4. Габаритную и тяжелую конструкцию (до 150 кг, длина – 4 метра) неудобно транспортировать и монтировать в помещении.
5. Высокая стоимость изделия.
Для повышения производительности проектировщики внесли изменения во внутреннее устройство, из-за чего изделие лишилось одного из главных преимуществ – легкого демонтажа и ремонта.
Типы моделей
Приборы отличаются по способу установки. И это напрямую влияет на эффективность всей системы. Очень часто используется конструкция котла, в котором уже есть внутри теплообменник отопления. Потери тепла в подобных устройствах, практически, сведены к нулю. А для продуктивной работы требуется лишь грамотная настройка.
Внешние конструкции отличаются гораздо меньшей производительностью. Потому что их положение не позволяет хорошо разогреть теплоноситель. Но они применяются там, где отсутствуют индивидуальные обогревательные котлы. Например, в домах, пользующихся централизованным отоплением.
Лучший теплообменник для ГВС
Среди модельного ряда устройств, применяемых в частном доме, пластинчатый теплообменник для ГВС занимает лидирующие позиции. Ранее использовались кожухотрубные модели, но низкий КПД и крупные габариты свели их применение практически к нулю.
Пластинчатый теплообменник выглядит как стопка гофрированных пластин, размещенных на жесткой станине. Все элементы одинаковые, но располагаются зеркально, между ними установлены стальные и резиновые прокладки. Чередование парных пластин оставляет полости. Они заполняются нагреваемой либо нагревающей жидкостью (происходит смешение сред). По направляющим каналам среды движутся друг к другу по каждой второй полости и таким же образом выходят из агрегата, отдав или получив нужную температуру. Чем большее количество пластин предусмотрено конструкцией, тем выше будет производительность агрегата.
Расчет
Выбор подходящего теплообменника сложно выполнить, оперируя только одной лишь его мощностью или пропускной способностью. Эффективность подготовки ГВС зависит и от состояния теплоносителя в первом контуре и во втором, от материала и конструкции теплообменника, скорости и массовой части теплоносителя, проходящего в единицу времени через пластинчатый теплообменник. Однако, естественно следует предварительно выполнить расчет, позволяющий прийти к определенному сочетанию мощности и производительности для выбора подходящей модели.
Базовые данные необходимые для расчета:
- Тип среды в обоих контурах (вода-вода, масло-вода, пар-вода)
- Температура теплоносителя в системы отопления;
- Максимально допустимое снижение температуры теплоносителя после прохождения теплообменника;
- Начальная температура воды, используемой для ГВС;
- Требуема температура ГВС;
- Целевой расход горячей воды в режиме максимального потребления.
Кроме этого в формулах для расчета задействована удельная теплоемкость жидкости в обоих контурах. Для ГВС используется табличное значение для начальной температуры воды, чаще +20оС, равное 4,182 кДж/кг*К. Для теплоносителя следует отдельно находить значение удельной теплоемкости, если в его составе имеется антифриз или другие присадки для улучшения его качеств. Аналогично для централизованного отопления берется приблизительное значение или фактическое на основании данных теплокоммунэнерго.
Целевой расход определяется количеством пользователей для горячей воды и количеством устройств (краны, посудомоечная и стиральная машинка, душ), где она будет использована. Согласно требованиям СНиП 2.04.01-85 необходимы следующие значения расхода горячей воды:
- для раковины – 40 л/ч;
- ванная – 200 л/ч;
- душевая – 165 л/ч.
Значение для раковины умножается на количество устройств в доме, которые могут использоваться параллельно, и складывается со значением для ванны или душевой в зависимости от того, что именно используется. Для посудомоечной и стиральной машинки значения берутся из паспорта и инструкции и только при условии, что они поддерживают использование горячей воды.
Второе базовое значение – это мощности теплообменника. Рассчитывается исходя из полученного значения расхода жидкости и разницы температур воды на входе в теплообменник и на выходе.
Классификация и эксплуатация паровых теплообменников
Классификация может производиться по различиям в устройстве пароводяных теплообменников, по их эксплуатационным характеристикам и по назначению. С точки зрения характеристик подогреватели делятся на
- произведенные в соответствии с ГОСТ 28679-90;
- подогреватели с улучшенными характеристиками.
Также применяется деление на
- подогреватели низкого давления и
- подогреватели высокого давления.
По устройству пароводяные теплообменники разделяются на
- проточные подогреватели;
- емкостные подогреватели,
а также на
- горизонтальные и вертикальные модели;
- с одно-, двух-, четырёхходовым и т.д. током воды в трубном пучке;
- с прямыми или U-образными трубами, различными видами компенсаторов и т.д – практически всех типов из общей классификации кожухотрубных теплообменников.
Деление по назначению (для горячего водоснабжения или отопления, бытовые, коммунальные, промышленные) во многом условно, и зависит от технических параметров подогревателя определённой модели – его максимальной производительности, температурного режима, габаритов и т.д.
Устройство и принцип работы
Пластинчатый теплообменник (ПТО) обеспечивает переход тепла от нагретого теплоносителя холодному, при этом не перемешивая их, развязывая два контура между собой. Теплоносителем может быть пар, вода или масло. В случае с горячим водоснабжением чаще источником тепла является теплоноситель системы отопления, а нагреваемой средой – холодная вода.
Конструктивно теплообменник представляет собой группу гофрированных пластин, собранных параллельно друг другу. Между ними образуются каналы, по которым течет теплоноситель и нагреваемая среда, притом послойно они чередуются между собой, не перемешиваясь при этом. За счет чередования слоев, по которым текут жидкости обоих контуров, увеличивается площадь теплообмена.
Схема работы теплообменника
Гофрирование чаше выполняется в виде волн, притом ориентированных так, чтобы каналы одного контура располагались под углом к каналам второго контура.
Подключение входов и выходов делаются так, чтобы жидкости текли навстречу друг другу.
Поверхность и материал пластин подбирается исходя из требуемой мощности теплообмена, вида теплоносителя. В особенно эффективных и продуманных теплообменниках поверхность формуется для возбуждения завихрений возле поверхности пластины, повышая теплообмен, не создавая сильного сопротивления общему току.
Теплообменник включается между двумя контурами:
- Последовательно к системе отопления или параллельно с наличием регулирующей арматуры.
- К входу от холодного водопровода и выходом к потребителю ГВС.
Холодная вода, протекая через теплообменник нагревается за счет тепла от системы отопления до требуемой температуры и подается на кран потребителя.
Основные характеристики пластинчатого теплообменника:
- Мощность, Вт;
- Максимальная температура теплоносителя, оС;
- Пропускная способность, производительность, литры/час;
- Коэффициент гидравлического сопротивления.
Мощность зависит от общей площади теплообмена, перепада температур в обоих контурах между входов и выходом и даже от числа пластин.
Максимальная температура задается подбором материалов и способом соединения пластин и корпуса теплообменника.
Пропускная способность повышается с увеличением числа пластин, так как они подключаются фактически параллельно, то каждая новая пара пластин добавляет дополнительный канал для тока жидкости.
Коэффициент гидравлического сопротивления важен при расчете нагрузки на систему отопления, где от этого зависит выбор циркуляционного насоса, немаловажен и для других источников тепла. Зависит от типа гофрирования пластин и размера сечения каналов и их количества.
Именно по этим параметрам подбирается в итоге теплообменник для конкретной ситуации. Чаще всего пластинчатые теплообменники имеют разборную конструкцию, в которой можно наращивать или уменьшать число пластин и выбирать их тип и размер. Мощность и производительность теплообменника должно хватать для того, чтобы нагреть проточную холодную воду, и при этом не создать критической нагрузки на систему отопления.
Для наиболее востребованных случаев, каким является обеспечение горячей водой частного хозяйства, дома или квартиры производятся готовые теплообменники с постоянными характеристиками.
Конструкции и виды пластинчатых теплообменников
Пластинчатый теплообменник состоит из нескольких листов тонкого гофрированного металла (пакет пластин), образующих каналы. Прокладки находятся между пластинами и образуют уплотнение. Уплотнение предотвращает смешивание и утечку жидкостей, но они также определяют, по каким каналам может протекать каждая жидкость.
Пластинчатые теплообменники могут увеличивать или уменьшать свою нагревательную или охлаждающую способность за счет добавления или удаления внутренних пластин. Их также можно разобрать для очистки и обслуживания, кроме неразборных.
Эти аппараты могут быть :
- разборными
- полуразборными
- неразборными (сварными или паяными).
В разборных теплообменниках теплопередача состоит из ряда гофрированных пластин, установленных между рамой и прижимными пластинами, которые сохраняют расчетное давление. Для достижения наивысших тепловых характеристик и обеспечения очень близкого температурного приближения жидкости обычно проходят через теплообменник противотоком.
Полуразборные теплообменники используются, когда прокладки не подходят в качестве одной из технологических сред, а также могут выдерживать более высокое расчетное давление по сравнению с полностью разборными пластинчатыми теплообменниками. Уплотнение между пластинами на промышленной полусварной линии чередуется между лазерной сваркой и прокладками. Канал, сваренный лазерной сваркой, позволяет использовать жидкости, несовместимые с обычными прокладками, а также обеспечивает более высокое расчетное давление, чем полностью разборные пластинчатые теплообменники.
Неразборные теплообменники не имеют не имеют открытых прокладок, это цельносварной пластинчатый теплообменник, который используется, прежде всего, в нефтегазовой, химической и нефтехимической промышленности. Рама, прочно закрепленная на болтах, состоит из четырех колонн, верхней и нижней частей, а также четырех боковых панелей. Используются для решения сложных задач, связанных с агрессивными средами, экстремальными температурами и высоким давлением.
Основным недостатком этих теплообменников является то, что они не снимаются, поэтому техническое обслуживание и очистка невозможны или, по крайней мере, трудны, а количество пластин поменять нельзя, но зато гораздо меньше подвержены загрязнению и засорению и требуют лишь периодического осмотра и очистки.
Принцип работы теплообменника
Давайте разберемся, как работает теплообменник для отопления. Рассмотрим пластинчатый паяный теплообменник, который собран на заводе. У него есть четыре выхода, следовательно, два контура. Теплообменник служит разделителем потоков по температуре, по давлению. Таким образом, можно разделить различные теплоносители, жидкости и кислоты.
Теперь разберём принцип работы теплообменника для отопления в доме. На один контур теплообменника подключаются теплые полы, а на другой контур — теплоцентраль (подача и обратка). Напрямую подключать центральный теплоноситель к теплым полам нельзя, так как это может привести к их порче за короткий промежуток времени. На это есть ряд весомых причин. Во-первых, в центральных теплосетях большое давление. Во-вторых, большая температура. И, в третьих, в теплоносителе содержится много химических реактивов и растворенного железа.
Теплообменник состоит из трех групп пластин:
- Набранная пластина из центральной системы отопления с большой температурой и высоким давлением,
- Набранная пластина автономной системы отопления с небольшим давлением,
- Разделительная пластина, которая имеет небольшую толщину и осуществляет процесс передачи тепла от центральной системы отопления к автономной системе.
Мощность теплообменника зависит от количества пластин и их размеров. На любой теплообменник необходимо поставить очистительный фильтр, который будет удерживать различные грубые частицы (стружки, окалины, мелкие частицы). Периодически его необходимо промывать специальными средствами. В настоящее время на рынке представлен большой выбор подобных средств.
Технология прямого нагрева
О косвенном нагреве воды сказано, но есть и еще одна технология нагрева, которая называется прямой. То есть, теплообменник в системе горячего водоснабжения устанавливается непосредственно в топку отопительного котла. То есть, производится нагрев прибора непосредственно энергоносителем. Как показывает практика, в такой системе ГВС обычно устанавливаются агрегаты комбинированного типа. в основе их конструкции лежит трубный змеевик, по которому движется холодная вода. А для усиления теплоприема дополнительно устанавливаются пластины, тем самым увеличивая интенсивность забора теплоэнергии. На фото ниже такой агрегат показан. Кстати, эти приборы называются первичными.
Первичный теплообменник
Изготавливают их чаще всего или из нержавеющей стали, или из медного сплава. Необходимо отметить, что данный тип теплообменных приборов подвергается большим нагрузкам. Это касается не только температуры. Все дело в том, что внутри труб происходят процессы под действием высокой температуры, которые приводят к быстрому отложению на стенках минералов и различных солей. А это уменьшение диаметра трубы, а следствие – снижение интенсивности теплоотдачи в сторону проходимой по трубам воде
Поэтому очень важно, эксплуатируя водопроводную систему частного дома, уделять внимание качеству забираемой из скважины или колодца воды. А самое простое в этом случае – это установить фильтра разного назначения, то есть, организовать грамотно систему водоочистки
Есть еще один вариант, связанный с нагревом воды для ГВС. Это установка бака на дымоход отопительного котла. В принципе, функции теплообменника здесь сыграет именно дымоходная труба, на которую водяной бак будет установлен и закреплен. Такая конструкция теплообменника для горячего водоснабжения частного дома достаточно эффективна, и при этом очень экономична. То есть, здесь нет сложных приборов и конструкций
Правда, необходимо обратить внимание на материал, из которого часть дымохода будет сооружаться. В данном случае лучше всего использовать трубы из нержавейки
Они не только легко справляются с коррозионными процессами, но и хорошо выдерживают высокие температуры, под действием которых не коробятся и не лопаются. Правда, стоить будет такой дымоход недешево. И это, в принципе, единственный минус устройства.
Установка теплообменника в топку печи
Типы теплообменников
Самый простой теплообменник – это змеевик из металлической трубы. Понятно, что металл – идеальный материал с высокой теплопроводностью, а значит, передача тепла будет быстрой и максимально эффективной. И чем больше диаметр змеевика, чем больше в нем витков, тем интенсивнее он будет отдавать тепло, потому что таким образом увеличивается площадь теплообмена. Конечно, на интенсивность теплоотдачи будет влиять и разница между холодной водой в бойлере, и горячей в системе отопления. И чем разница будет меньше, тем лучше. Правда, необходимо отметить, что вода в скважине обычно составляет в среднем +10С, приплюсуйте сюда зимнюю температуру, то получается так, что при необходимости довести воду в ГВС до температуры +40-45С, нужно нагреть воду в отопительной системе до +80-90С.
Теплообменник-змеевик
Что касается материала, из которого змеевики теплообменники изготавливаются, то в основном используются или стальные, или чугунные приборы.
- У обоих материалов высокая теплопроводность.
- Стальные агрегаты весят меньше чугунных.
- По показателю ударопрочности стальные выигрывают. Они не лопаются при ударах, как чугунные теплообменники. И в этом их большое преимущество.
- Они также хорошо выдерживают перепады температур. То есть, оба материала держат высокие температуры, но при резком их изменении чугун трескается и лопается.
- Правда, сталь быстрее коррозирует при соприкосновении с водой и кислородом. Если в теплообменнике постоянно находится вода (внутри и снаружи), то прослужит он долго, потому что в самой воде незначительная концентрация кислорода.
То есть, по многим техническим характеристикам стальные теплообменники лучше. В настоящее время эти приборы изготавливают и из медных труб. По всем показателям медные теплообменники превосходят и стальные, и чугунные, но у них есть один большой недостаток- слишком дорогое это удовольствие.
Изготовление медного теплообменника
Пластинчатые теплообменники
Еще одна разновидность – это пластинчатые теплообменники для горячего водоснабжения. В основе их конструкции лежат гофрированные пластины, которые устанавливаются между плитами и сжимаются между собой специальными болтовыми соединениями.
По эффективности пластинчатые теплообменники превосходят трубные. Все дело в тех самых пластинах, за счет которых прибор и получил свое название. У них большая площадь теплоотдачи, их самих большое количество, нагреваются они от труб, которые пронизывают все пластины в четырех местах, отсюда, в принципе, и сильный их нагрев. На фото ниже показан такой агрегат.
Пластинчатый теплообменник
Но есть у этой разновидности одно большое преимущество – это возможность наращивать длину прибора за счет установки в него дополнительных пластин. При этом толщина самого гофрированного элемента небольшая (0,5-0,6 мм), а площадь теплоотдачи огромна. Даже установив дополнительно 10 элементов, можно повысить теплоотдачу прибора на 10-15%.
Сами пластины изготавливаются из коррозионностойкой стали методом штамповки. Для герметизации стыков между собой и трубами коллекторов используются резиновые прокладки.
Как правильно подобрать теплообменник в Перми
Теплообменный аппарат
— это оборудование, в котором происходит обмен тепловой энергией между холодной и горячей средой, при этом эти среды не смешиваются и разделены стенками пластин, имеющих высокую степень теплоотдачи.
Где применяются теплообменники
Теплообменники применяются в системе ГВС (горячего водоснабжения), отоплении, вентиляции, кондиционировании, в энергетике, в металлургии, в нефтехимической и пищевой промышленности.
Но самое частое их применение – это на системах ГВС и отопления от частных домов до административных зданий и промышленных сооружений.
Основные виды теплообменников
Самыми популярными среди теплообменников – являются пластинчатые теплообменные аппараты, которые имеют высокую степень теплоотдачи, компактные размеры и универсальны в применении.
Пластинчатые теплообменники бывают паяными или разборными:
Паяные теплообменники, которые широко применяются на системах отопления, хладоснабжения, для работы с газообразными средами, на системы теплого пола, а так же на горячее водоснабжение (ГВС), если в системе нет крупных нерастворенных частиц.
Разборные теплообменники, которые в основном применяются на системы отопления, горячего водоснабжения (ГВС), вентиляции и кондиционирования многоквартирных домов. Их применение позволяет многократно снизить затраты на потребление тепловой энергии и регулировать её потребление.
Особенности для выбора теплообменника
При выборе теплообменника учитываются такие параметры:
1. Технические характеристики
. Необходимо знать такие показатели как:
- Тепловая мощность;
- Расход по сторонам или одной из сторон теплообмена;
- Температуры рабочих сред на входах и выходах теплообменника;
- Возможно допустимые потери давления в системах теплообмена;
- Максимальная температура и максимальное давление рабочих сред;
- Агрессивность рабочих сред.
2. Компания изготовитель
. Каждый изготовитель придерживается своей ценовой политики. Соответственно, иностранные теплообменники, такие как, Alfa Laval имеют более высокий уровень цен.
Бренды теплообменников Российской сборки, хоть даже на иностранных или отечественных комплектующих не уступают по качеству и надежности: Ридан, Этра, Теплотекс АПВ, Funke, Sondex.
3. Применение
- Когда необходим пластинчатый теплообменник на систему отопления, берутся данные для самого холодного периода – именно тогда происходит большое потребление тепла и требуются высокие температуры теплоносителя.
- Когда подбирается теплообменник на систему горячего водоснабжения (ГВС), то берутся температурные данные периода с мая по сентябрь – так как в этот период показатели теплоносителя самые низкие.
Из вышеизложенного видно, что для подбора пластинчатого теплообменника необходимо предусмотреть множество параметров.
