Теплообменник — устройство, в котором происходит процесс обмена энергией (теплом) между средами различной температуры. Конкретные параметры и характеристики оборудования зависят от его типа.
Все устройства делятся на две большие группы. В одних среды смешиваются друг с другом, в других они разделены стенкой. Вторые используют чаще и называют поверхностными. Среди них выделяют регенеративные и рекуперативные установки, в зависимости от направления потока теплоносителя.
По особенностям конструкции разделяют аппараты с плоской поверхностью (пластинчатые, спиральные) и трубчатые (кожухотрубные, змеевиковые, «труба в трубе»).
При выборе оборудования нужно обращать внимание на ряд параметров. Начнем по порядку.
Базовые характеристики
Независимо от типа устройства, надо учитывать основные параметры:
Площадь теплообмена. Это площадь одной поверхности изделия, умноженная на количество поверхностей. Плюс, на нее влияют другие факторы: потеря давления в ходе работы, дополнительные ресурсы площади на случай появления отложений, коэффициент теплопередачи и скорости в каналах.
Мощность теплообменника. Объем тепла, который выделяет аппарат.
Габариты и вес. От них будет зависеть, справится ли оборудование с поставленной задачей. Также они влияют на количество требуемых материалов для изготовления устройства.
Дальше необходимо определить технические условия использования оборудования.
Технические условия эксплуатации
При подборе теплообменника важно понимать, в каких условиях оно будет работать.
Тип среды. В качестве теплоносителей обычно используют пар, воду, нефть, газ. Структура прибора будет влиять на расчеты и дальнейший подбор, так как агрессивные вещества требуют повышенных свойств прочности устройства.
При использовании нестандартных сред, могут понадобиться значения теплоемкости, вязкости и теплопроводимости носителя тепла.
Расход рабочей среды. Нужно знать, какая масса рабочей среды проходит через теплообменную установку за определенный интервал времени. Для вычисления этого плотность среды умножают на ее объем.
Температуры сред на выходах и входах теплообменника. Чем больше эта разница, тем дешевле и меньше в размерах аппарат.
Допустимые потери по напору нагреваемой и охлаждаемой стороны. При прохождении через теплообменник теплоносителя и теплопотребителя происходит падение давления рабочей среды. Важно учитывать это при выборе, потому что слишком большое падение давления жидкости не позволит, например, поднимать ее на верхние этажи здания.
Максимальная рабочая температура. Чем выше температура внутри оборудования, тем жестче требования к устройству теплообменного аппарата и материалам его изготовления.
Максимальное рабочее давление. Аналогично предыдущему пункту, чем выше внутри теплообменника давление, тем серьезнее требования к его конструкционным особенностям и используемым при проектировании материалам.
Тепловая нагрузка. Способность теплообменного аппарата передать количество энергии от одной среды другой. Оборудование с высокими нормами тепловой нагрузки обычно имеет большие габариты и работает под большим давлением.
Исходя из технических условий эксплуатации, производят расчет теплообменника.
Варианты расчета
Есть восемь способов расчета оборудования, каждый нужен для своих целей и задач.
Тепловой расчет. Применяют при проектировании теплообменников известной мощности и при монтаже готовых установок в заданных условиях. Главная задача этого расчета — определить оптимальный тип прибора и форму теплообменной поверхности. Дополнительно он позволяет определить эффективность теплопередачи, площадь теплообменной поверхности, массовый расход теплоносителя и его температуру на выходе.
Основа для расчета — уравнения теплопередачи и теплового баланса.
Уравнение теплопередачи имеет вид:
Q = F‧k‧Δt, где:
Q — размер теплового потока, Вт;
F — площадь рабочей поверхности, м²;
k — коэффициент передачи тепла;
Δt — разница между температурами носителей на выходе в аппарат и на выходе из него. Также величина называется температурным напором.
Величину F, которая является целью расчета, определяют именно через уравнение теплопередачи:
F = Q/ k‧Δt
Компоновочный расчет. Позволяет определить оптимальное взаимное расположение каналов теплообменника для разных теплоносителей.
Вытекает из теплового расчета и использует его результаты.
Конкретную формулу расчета определяют тип теплообменного аппарата и его конструктивные особенности.
Поверочный расчет. Осуществляется на основе теплового расчета и предназначен для проверки возможности установки справляться с поставленной задачей в конкретных условиях. Для его выполнения нужно знать тепловую производительность и параметры тепловой среды.
Гидравлический расчет. Позволяет вычислить необходимые для работы гидравлические параметры теплоносителя, например, скорость его движения.
С одной стороны, скорость ограничивает величина гидравлического сопротивления, с другой, ее увеличение требует повышения энергозатрат на перекачивание теплоносителя.
Конструктивный расчет. Выполняют на стадии проектирования теплообменного устройства для определения самого типа изделия. С его помощью рассчитывают требуемое число пластин пластинчатого теплообменника, количество труб и их длину, диаметр и высоту прибора в кожухотрубном устройстве.
Исходными данными служат результаты теплового и гидравлического расчетов.
Механический расчет. Определяет способность конструкции теплообменного аппарата выдерживать факторы внутренней и внешней механической нагрузки: изгиб, сжатие, растяжение и подобные.
Если кратко, расчет делают так:
- Выбирают материал для изготовления элементов конструкции.
- Проводят расчет толщины корпусной стенки c учетом напряжения, диаметра теплообменника и расчетного давления.
- Рассчитывают толщину днища, учитывая его форму.
- Производят расчет опор прибора с учетом типа опоры, количества опор и их исполнения.
- Рассчитывают максимальный вес аппарата.
- Проверяют прочность фундамента. Напряжение материала фундамента должно быть больше напряжения опорной поверхности.
Расчет температурных напряжений. Используют для определения изменения геометрической формы теплообменника и отдельных его элементов при тепловом воздействии и для выявления мест напряжения, возникающих из-за температурного расширения. Это позволяет правильно подбирать материалы, из которых изготавливают элементы оборудования.
Прочностный расчет. Объединяет три перечисленные выше вида — механический, гидравлический и расчет температурных напряжений. Проверяет, как установка выдерживает все виды нагрузки, возникающие под влиянием любых возможных факторов.
Ваше имя
*Ваша почта
Нажимая на кнопку “Подписаться”, я даю согласие на обработку своих персональных данных.
Теплообменники под разные задачи
При подборе важно знать, где будет устанавливаться прибор. Их используют в системах отопления, горячего водоснабжения, вентиляции, при монтаже систем охлаждения и подогрева бассейнов.
От назначения изделия будут зависеть требования к его свойствам.
Для бассейна
Выбирая теплообменное оборудование для бассейна, рассматривают параметры:
- Тип нагревательного устройства: трубчатый или пластинчатый.
- Пропускная способность. Показывает, через сколько времени весь объем бассейна будет прокачан через теплообменник.
- Материал трубок или пластин. Для пресной воды выбирают нержавеющую сталь, для резервуаров с морской — титан.
- Тип нагревателя, к которому будет подключаться аппарат: газовый или электрокотел.
- Тепловая мощность. Важнейший показатель при выборе. Если у прибора будет недостаточная мощность, то вода в бассейне не прогреется до нужной температуры.
В основном для бассейнов используют один из двух видов устройств:
Пластинчатые, потому что они проще других в обслуживании, обладают более высоким коэффициентом полезного действия и малыми размерами. В пластинчатый разборный теплообменник всегда можно добавить пластины, увеличив его мощность.
Кожухотрубные, так как они обладают большей площадью теплообмена, не создают гидравлических помех для прохождения нагреваемой жидкости, меньше засоряются в процессе эксплуатации.
Для отопления
При проектировании системы отопления потребуется знать, какой мощности нужен источник тепла, а также температуру подачи теплоносителя.
Исходные данные нужно брать для самого холодного периода, когда необходимы максимально высокие температуры и самое большое теплопотребление.
Дополнительно стоит знать:
- Жилое или нежилое помещение будет отапливаться. Нагрузку определяют исходя из площади и объема здания, а также учитывают теплопотери здания через все ограждающие конструкции.
- Качество воды. Присутствуют ли в ней загрязнения, которые оседают на поверхности пластин и ухудшают теплообмен.
- Источник обогрева будет свой или тепловые сети.
- Есть ли планы в дальнейшем увеличивать мощность теплообменника. Например, планируется достройка помещения и площадь увеличится.
Для систем отопления подходящим выбором станут пластинчатые паяные теплообменники или разборные, чтобы иметь возможность нарастить мощность. В качестве рабочих теплоносителей используют воду и гликольные смеси.
Для горячего водоснабжения
В случае с горячим водоснабжением источником тепла обычно является теплоноситель системы отопления, а нагреваемой средой — холодная вода.
При подборе теплообменника для системы ГВС, нужно знать:
- Необходимую температуру подачи.
- Объем жидкости, который придется нагревать.
- Тип помещения, где будет установлен прибор. Это могут быть столовые, рестораны, душевые в гостиницах и спортзалах, частные дома и многоквартирные комплексы.
- Количество точек водоразбора — это количество мест, где необходима горячая вода. Например, в обычной однокомнатной квартире их две: кухня и ванная.
- Если в качестве источника тепла используется центральное теплоснабжение, то учесть его «летний» режим работы.
- Рассчитывать пиковые нагрузки работы ГВС. Например, в многоквартирных домах утром и вечером нагрузка увеличивается.
По итогу в выборе часто склоняются к разборным пластинчатым теплообменникам потому что:
- Их легче остальных промывать. Из-за примесей в воде со временем на пластинах откладываются загрязнения, ухудшающие теплопередачу. В итоге прибор может даже выйти из строя. Поэтому теплообменник необходимо промывать не реже одного раза в год.
- Их легко ремонтировать. Для восстановления функционирования устройства достаточно заменить неисправную пластину.
- Резиновые прокладки аппарата предотвращают утечку при любом его повреждении. Они устойчивы к перепадам давления и температуры.
Для бани
Вариантом теплообменного прибора для бани может стать змеевик из алюминия или меди. Прибор монтируется в банную печь рядом с каменкой или сверху на топку. В таком случае вода будет греться непосредственно от жара из топки, а печь работает и для обогрева, и для горячего водоснабжения. Недостатком такого способа является закипание — когда печь еще не прогрелась, а вода в баке уже начинает кипеть.
Также есть трудности с обслуживанием и заменой частей этого вида теплообменника. На стенках встроенного устройства накипь собирается быстрее, и чем толще ее слой, тем меньше теплопроводность материала — передача тепла происходит хуже. Тогда приходит время чистить изделие, а для его замены придется разобрать печь.
Для теплого пола
Для создания комфортного климата в жилом помещении устанавливают систему теплых полов.
Предпочтение отдают пластинчатым паяным теплообменникам. Это компактное, неразборное устройство, где пластины выполнены из нержавеющей стали, а припой — из никеля или меди. Такой выбор позволяет плавно регулировать температуру теплоносителя на выходе. Раздельный контур хладоносителя обеспечивает безопасность, экономичность и энергоэффективность.
Конструкцию из нескольких изделий можно применять в небольших помещениях или квартире, в загородных домах и коттеджах. Отдельный паяный прибор, их количество рассчитывают и подбирают под задачи заказчика.
Для этой системы необходимо проводить техническое обслуживание — промывать хотя бы один раз в год — это увеличит срок эксплуатации.
Недостаток паяного теплообменника — отсутствует возможность увеличения мощности путем добавления пластин. Чтобы увеличить площадь теплых полов, нужно будет добавить дополнительные устройства.
При обустройстве загородных домов и дач в носитель лучше изначально добавить этиленгликоль на случай замерзания системы.
