Установка теплообменная трубчатая

Введение

Что такое теплообменник? Отвечая на данный вопрос, можно определить его как устройство или технологию, внутри которой происходит явление теплообмена между 2 средами, обладающими разным показателем температурного состояния.

В соответствие с принципом работы, теплообменники можно разделить на 2 вида:

рекуператор;
регенератор.

В рекуператоре движущиеся носители тепла разделяются стеной. Сюда причисляют преобладающее количество теплообменников с самыми различными типами конструкции. В группу регенеративных устройств входят теплообменники, у которых теплоносители в горячем и холодном состоянии находятся поочередно в непосредственном контакте с одной общей поверхностью. Тепло начинает накапливаться в стене, если она контактирует с горячим носителем тепла и может отдаваться в ходе контакта с холодным. Примером может послужить кауперная доменная печь.

Отвечая на вопрос о том, что такое теплообменник, стоит упомянуть и область его применения. В первую очередь они важны в технологическом процессе переработки нефти, а также в нефтехимических, химических, атомных, холодильных, газовых и т. д. отраслях человеческой промышленной деятельности. Энергетика и коммунальное хозяйство также не обходятся без них.

Устройство и принцип работы

Устройство русской печи

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.

Установка теплообменника

Как сделать индукционный нагреватель своими руками из сварочного инвертора

Используя инструкцию по монтажу, необходимо правильно закрепить теплообменник. Он прижимается к стене за счет специальной консоли или крепежной ленты. Также можно установить теплообменник за счет уголка, который крепится к низу теплообменника. Плюс он завяжется трубами.

Дополнительно нужно смонтировать фильтры. Должен быть хотя бы фильтр грубой очистки на контур теплоэлектростанции. Если подключается к старой отопительной системе, то необходимо два фильтра. Один внизу, другой вверху.

Нужны краны и американки. Последние представляют собой быстроразъемные резьбовые соединения. Как правило, обычная простая американка состоит из четырех частей: двух резьбовых фитингов, накидной гайки и прокладки.

Очень важный момент при монтаже — это диаметр подключения, потому что прибор довольно компактный. В нем небольшой объем теплоносителя. Зазор между пластинами минимальный. Желательно брать такого же диаметра, который нам нужен, или больше. Например, 1 дюйм подключения. Лучше брать с запасом уровень мощности теплообменника. На габариты это не влияет. Буквально больше на один или два сантиметра. Но зато скорость теплосъема значительно увеличивается

Особенно это важно в системах, где теплоэлектростанция дает небольшую температуру. Например, при максимальной подаче температуры воды равной 65-70 °C, надо учесть данный факт, чтобы снять с теплоносителя максимально возможное количество теплоэнергии

Функциональные особенности теплообменников

Монтаж панелей ПВХ

Прежде чем начать изготавливать теплообменник, следует понять характер выполняемой им функции в отопительной системе. Принцип работы этого приспособления реализован в устройствах электрокотлов, газовых и твердотопливных. Теплообменник представляет собой конструкцию из изогнутых труб, которые размещаются внутри отопительного оборудования и нагреваются при помощи источника энергии.

По трубам теплообменника проходит теплоноситель, например, вода, которая нагревается и отправляется в радиаторы, на ее место поступает остывшая вода из батарей и снова нагревается. Таким образом, происходит отопление дома. В качестве теплоносителя могут использоваться газы, тогда в качестве нагревательного элемента будет работать рекуператор. Однако в жилых домах такой аппарат используется крайне редко.

Установив в печь теплообменник, можно получить полноценную систему отопления.

Виды теплообменников

Различают несколько видов данного устройства. Все теплообменники делятся на:

трубчатые;
пластинчатые — неразборные (паяные), разборные.

Трубчатые теплообменники — по сути труба большего диаметра, в которую вварены трубки меньшего диаметра.

Пластинчатые теплообменники — устройства, состоящие из набора пластин, в которых отштампованы волнистые каналы и поверхности для прохождения жидкости. Пластины укрепляются между собой стяжками и прокладками из резины.

Пластинчатые агрегаты более легки в ремонте. Также они имеют меньшие габариты. В трубчатых агрегатах теплообмен происходит в трубе малого диаметра, находящейся в трубе большого диаметра. Поэтому их можно использовать при высоких давлениях, а пластинчатые нельзя.

Как изготовить самодельный теплообменник

Регистр из нескольких труб

Форма теплообменника для отопления, сделанного своими руками, может быть разной. Наиболее распространенный вариант — регистр из нескольких стальных или медных труб, но также используются и образцы пластинчатого типа.

Температура в зоне горения очень высока, особенно, когда горит уголь. Поэтому повышенные требования предъявляются к металлу, из которого будут изготовлены элементы теплообменника, рациональности его конструкции и качеству сварных швов.

Материалы для изготовления

Пример использования чугунных радиаторов в качестве теплообменника в кирпичной печи

Задача водяных теплообменников для отопления — обеспечивать оптимальную передачу тепла, и в этом процессе важна степень теплопроводности металла. Например, стальная труба проводит тепло в 7 раз слабее, чем медная. Поэтому при одинаковом диаметре трубы для передачи одного и того же количества тепла понадобится 25 метров стальной трубы взамен 3,5 метров медной.

Медные теплообменники самые экономичные в работе, но и дорогие. Более доступными для самостоятельного изготовления считаются теплообменники из стальной трубы диаметром не менее 32 мм.

Расчет мощности теплообменника

Вычислить заранее мощность теплообменника для системы отопления довольно трудно. Для этого нужно учитывать слишком много факторов: диаметр труб, длину змеевика, теплопроводность металла, температуру сгорания топлива, скорость циркуляции теплоносителя и др. Реальная способность теплообменника справляться со своими функциями выяснится только после начала эксплуатации отопительной системы.

При расчетах можно ориентироваться, что 1 метр трубы диаметром 50мм, служащей теплообменником, даст 1 кВт тепловой мощности.

Особенности конструкции

Теплообменник для водяного отопления дома, сваренный из гладкостенных труб, называют регистром. Он выглядит как своеобразная «решетка», и это наиболее популярная форма самодельного теплообменника. Кроме такой конструкции, делают и более простые устройства в виде прямоугольного или цилиндрического бака. Главное, чтобы площадь поверхности для теплового обмена была максимально большой.

При изготовлении теплообменника своими руками нужно соблюдать несколько условий:

ширина внутренних пустот в теплообменнике должна быть не меньше 5 мм, иначе вода в нем может закипеть;
толщина стенок труб должна быть не меньше 3 мм, чтобы металл не прогорал;
зазор величиной 10–15 мм между теплообменником и стенками топки должен компенсировать расширение металла при нагреве.

Особенности монтажа

Теплообменник устанавливают внутрь печи в процессе ее кладки

Проще всего монтировать теплообменник одновременно с сооружением печи. Если устанавливать его в старую печь, придется разобрать часть ее кирпичной кладки.

Порядок действий:

На подготовленный фундамент печи прямо в полость топки устанавливают трубчатый теплообменник.
При дальнейшем укладывании рядов кирпичей оставляют места для входной и выходной труб устройства.
После завершения кладки печи подключают теплообменник к системе отопления, заполняют систему водой и производят пробную топку печи.

Видео материал предлагает ознакомиться с полезными советами по самостоятельному изготовлению теплообменника:

До сих пор мы говорили только о теплообменниках в системе водяного отопления

Обратим внимание и на другие сферы их применения

https://youtube.com/watch?v=5_C4IMDcOc4

Виды теплообменников

На сегодняшний день имеется несколько видов теплообменников:

погружные;
пластинчатые;
элементные;
витые;
графитовые;
спиральные;
двухтрубные;
кожухотрубные.

Погружной теплообменник

В качестве чувствительного элемента в этом приборе выступает цилиндрической формы змеевик. Он размещён в сосуде, который заполнен жидкостью. Подобная конструкция существенно снижает время необходимое на отдачу тепла прибором. Такого вида устройство считается одним из лучших по эффективным показателям работы прибором. Применяется исключительно в местах, где дозволено механическое включение и стадия закипания.

Пластинчатый теплообменник

Достоинства этого прибора можно перечислять долгое время. Это и лёгкость сборки, и простота чистки, и минимальное сопротивление гидравлики. Состав этого вида приборов подразумевает соединение крепёжных болтов, концевых камер, рамы и рабочей пластины. Последние элементы разделены специальными резиновыми прокладками. Их изготавливают из специальной стали. Технология монтажа пластин подразумевает установку резиновой прокладки без использования клеевых смесей, тем не менее позволяющая плотно прилегать отдельным частям друг к другу. Схема подачи рабочей среды может иметь три варианта: прямоточную, смешанную и противоточную.

Элементный теплообменник

Особенностью строения этого прибора является соединение частей единую систему. Если рассматривать принцип их работы, то он во многом схож с работой кожухотрубных теплообменников. Схема подачи рабочей среды работает только противоточно. Этот агрегат сочетает в себе небольшое количество труб.

Витой теплообменник

Чувствительный элемент этого прибора имеет название концентрического змеевика. Они закрепляются на специальных головках, получая защиту от кожуха. Используется схема с двумя жидкостями, один вид которой заполняет имеющиеся трубки, а другой располагается в пространстве между ними. Считается, что этот вид агрегата прекрасно переносит различные перепады давления и обладает высоким показателем стойкости к износу.

Графитовый теплообменник

Его устройство позволяет защитить конструкцию от воздействия коррозии. Также этот прибор отлично проводит тепло. Состоит агрегат из блоков, имеющих форму прямоугольника и цилиндра. Движение рабочей жидкости осуществляется по перекрёстной схеме. В составе теплообменника можно увидеть металлический корпус, трубки, решётки и крышки.

Спиральный теплообменник

Принцип работы этого прибора заключается в использовании металлических листов. Их скручивают в спираль и закрепляют на особом механизме под названием крен. Для полноценной работы необходимо обеспечить герметизацию теплообменника. Её достигают при помощи сваривания отдельных её частей или укладкой прокладки. Такие приборы довольно сложно создавать, обслуживать и ремонтировать. Запрещается использовать устройство в системе с давлением выше 10 кгс/см2. Эти недостатки успешно заменяет небольшой вес и размер прибора, а также его высокий показатель эффективности.

Двухтрубный теплообменник

Главными основными частями этих приборов являются трубы разного диаметра. В качестве рабочей среды используется жидкость и газ. Теплообменник используется в местах, где существуют большие перепады давления, успешно преодолевая эти трудности. Дополнением к положительным качествам прибора становится высокий уровень передачи тепла, а также простота обслуживания и монтирования. К сожалению, такие приборы дорого оцениваются продавцами.

Кожухотрубный теплообменник

Кожухотрубный прибор состоит из нескольких частей: элементов, компенсирующих напряжение, пучков труб, патрубков, корпуса, крышки и трубных решёток. Особенностью кожухотрубного устройства считается изготовления их наклонными или горизонтальными/вертикальными.

Дополнительно о принципе работы кожухотрубного агрегата

Кожухотрубный теплообменник получил такое название потому, что тонкие трубки, по которым движется теплоноситель, располагаются в центральной части основного кожуха. От количества трубок в середине будет зависеть то, с какой скоростью движется вещество. От этого, в свою очередь, зависит коэффициент теплопередачи.

Кожухотрубный теплообменник изготавливается из высокопрочных и легированных сталей. Они применяются потому, что устройство работает в агрессивной среде, которая способствует развитию коррозии. Теплообменник можно классифицировать на несколько разновидностей, среди них следует выделить:

с плавающей головкой;
с неподвижными трубками;
с температурным компенсатором;
в виде кожуха с U-образными трубками.

Охлаждение двигателя

Система охлаждения, отвечающая за процесс обмена тепла в авто, является многофункциональным средством контроля температурного режима. В машине таких систем может быть несколько, но в общем виде все они отвечают за контроль одного и того же явления, только в разных областях транспорта. Примером может служить нагревание воздуха в отопительной или вентиляционной системе, охлаждение масел внутри системы, отвечающей за смазку, теплообменник двигателя занимается его охлаждением. Существует также система, отвечающая за снижение температуры в турбонаддуве, и т. д.

Автомобильные теплообменники принципом работы могут между собой отличаться, что обуславливается особенностями самой системы. На авто чаще всего используют жидкостные охлаждающие приборы. Их преимущество заключено в том, что они позволяют равномерно снижать температуру мотора и обладают низкой шумовой производительностью. Если говорить о системе охлаждения двигателя в целом, то она включает в себя огромное количество деталей, среди которых: радиатор масляного типа, отопительный теплообменник, центробежный насос, термостат, радиатор снижения температуры жидкостей, а также расширительный бак.

Широкие возможности кожухотрубного теплообменника

Давление в трубках может достигать разных значений, от вакуума до наивысших;
Можно достичь необходимого условия по термическим напряжениям, при этом цена устройства существенно не поменяется;
Размеры системы тоже могут быть различными: от бытового теплообменника в ванную комнату до промышленного площадью 5000 кв. м.;
Нет необходимости предварительно очищать рабочую среду;
Для создания сердцевины используют разные материалы, в зависимости от затрат на производство. Однако все они соответствуют требованиям температуры, давления и устойчивости к коррозии;
Отдельный участок труб можно извлечь для чистки или ремонта.

Есть ли у конструкции недостатки? Не без них: кожухотрубчатый теплообменник весьма громоздкий. Из-за своих габаритов он нередко требует отдельного технического помещения. Ввиду большой металлоемкости стоимость изготовления такого устройства тоже велика.

Основная функция теплообменника для котла

В теплообменнике происходит нагревание воды, которая циркулирует в системе и передает тепло радиаторам

На горелку котла подают газ и воздух для сжигания. Газ горит, выделяя тепло, продукты сгорания выводятся вовне. Источник тепла в этом случае – элемент неподвижный.

Теплоноситель – вода или антифриз – поступает в теплообменник. Это устройство, которое обеспечивает теплообмен между двумя средами с разной температурой. Последний размещается в камере сгорания над горелкой. Вода, двигаясь по теплообменнику, нагревается и подается в трубы отопления. Чаще всего устройство имеет вид набора пластин или трубок. Чем больше его рабочая поверхность, тем лучше и быстрее нагревается вода.

Спиральные теплообменники

Спиральный теплообменник был изобретен в двадцатых годах ХХ века шведским инженером Розенбладом для применения в целлюлознобумажной промышленности. Эти теплообменники впервые позволили обеспечить надежную теплопередачу между средами, содержащими твердые включения. В 70-х годах конструкция спиральных теплообменников была радикально изменена и улучшена, и приобрела большие преимущества по сравнению с конструкцией Розенблада.

Два или четыре длинных металлических листа укладывают спиралью вокруг центральной трубы, образуя два или четыре однопроточных канала. Чтобы обеспечить постоянную величину зазоров, к одной стороне листов привариваются разделительные шипы. Центральная труба при помощи специальной перегородки разделена на две камеры, которые образуют входной и выходной коллектора. Скрученные спирали помещаются в цилиндрический кожух. Внешние концы спиральных листов привариваются вдоль образующей обечайки. Для выхода каналов наружу в местах фиксации краев каналов в кожухе просверливаются отверстия, которые герметично закрываются входным и выходным коллекторами с присоединительными патрубками.

Движение потоков в спиральных теплообменниках происходит по криволинейным каналам, близким по форме к концентрическим окружностям. Направление векторов скоростей движения потоков постоянно претерпевают изменение. Геометрия каналов и разделительные шипы создают значительную турбулентность уже при низких скоростях потоков, при этом улучшается теплопередача и уменьшается загрязнение.

Это обеспечивает компактность конструкции спиральных теплообменников, которые могут быть интегрированы с любой технологической линией, что значительно сокращает затраты на установку.

Рис. 22. Спиральные теплообменники

Можно ли сделать теплообменник своими руками

Самостоятельная сборка теплообменников для ГВС конечно возможна. Но учтите: при этом сэкономить средства вряд ли получится. Стоимость материалов для сборки будет почти сопоставима с ценой готового аппарата.

Причем вряд ли имеет смысл собирать своими руками пластинчатый теплообменник. Он ведь и так чаще всего поставляется, как набор деталей.

Выбивать рельеф множества пластин и вырезать такое же количество прокладок сложной формы дело долгое. Конечно, можно попытаться сделать штампы, но это тоже непросто — к тому же понадобится пресс.

Такое количество прокладок вырезать самостоятельно — очень длительный процесс

С кожухотрубчатыми аппаратами проще, хотя все равно без сварочного аппарата (и соответствующих навыков) не обойтись. Рассмотрим, как собрать медный теплообменник отопления горячего водоснабжения такой конструкции.

Кроме сварочного аппарата нам понадобится следующее оборудование:

набор слесарного инструмента;
дрель со сверлами и зенковками, или что лучше — сверлильный станок;
токарный станок или доступ к нему;
угловая шлифмашинка (болгарка) с отрезными кругами, желательно иметь и оборудование для газовой резки;
насадка на дрель для вальцовки труб соответствующего диаметра.

Инструкция по созданию такого аппарата будет следующей:

Расчеты мы не приводим, для определения размеров деталей лучше найти чертеж аналогичного заводского агрегата (благо их множество в интернете, и они, как правило, не защищены авторскими правами).
Вначале готовим кожух — это одна из наиболее простых деталей. Берем для него трубу подходящего диаметра, и, если продумывается фланцевое соединение, ввариваем патрубки и фланцы на них для подключения. Именно их нужно вварить заранее, иначе когда будем монтировать трубы пучка, можно легко прожечь.
Дальше готовим трубные доски, необязательно подбирать толщину стали согласно выбранному вами чертежу. Достаточно, чтобы лист металла был не тоньше стенки кожуха. Делаем их как фланцы, то есть вырезаем болгаркой или резаком, потом обрабатываем на наждаке, или что лучше — обтачиваем на токарном станке, сделав диаметр на 0,5-1 мм меньше, чем внутренний диаметр трубы-кожуха.
Размечаем точки установки труб пучка и керним их. Сделать это можно только на одной трубной доске. Потом при сверловке обе доски сожмем в пакет струбцинами, и обработаем их вместе.
Сверлим отверстия и зенкуем их.
Закрепляем трубные доски в кожухе сваркой. Но можно продумать и другой вариант, например: на резьбе — но это не общепринято и гораздо сложнее.
Навариваем фланцы на трубы кожуха.
Нарезаем по размеру медные или латунные трубы пучка.
Устанавливаем их в трубные доски и развальцовываем с обеих сторон.
Таким же образом делаем остальные секции, хотя в некоторых случаях достаточно и одной.
Изготавливаем патрубки для соединения межтрубного пространства секций между собой. Это просто нарезанные по размеру обрезки трубы с приваренными фланцами.
Делаем калачи, для чего гнем куски трубы такого же диаметра, как и труба кожуха, и навариваем на них фланцы. Как правило, из-за маленького диаметра изгиба (по сравнению с соответствующим размером трубы), на «холодную» это сделать невозможно, придется нагревать. Чтобы все калачи получились одинаковыми, желательно изготовить шаблон.

Изготавливаем переходники-сужения с двумя фланцами для подключения сетей к трубам пучка. Они нужны, потому что диаметр трубопроводов меньше диаметра кожуха.
Соединяем калачами и патрубками секции между собой, монтируем также и переходники для подключения к сетям.
Логично, что следующим этапом была бы сборка и испытание на герметичность. Однако специальный стенд для этого делать не стоит. Подключаем бойлер к тепловым сетям и трубам ГВС, делать это можно одновременно со сборкой секций.
Испытываем наш теплообменник вместе с сетями (о методах мы писали выше) и если все нормально, то окрашиваем его внешние поверхности и укладываем теплоизоляцию.
Запускаем бойлер в работу и получаем удовольствие от горячей воды, подготовленной в устройстве, которое собрано своими руками.

Вот и все, что мы хотели вам рассказать. Надеемся, наша статья дала вам не только общее понятие, что такое теплообменник и горячее водоснабжение, но и помогла более подробно разобраться в конструкции и схемах подключений этих аппаратов. Еще лучше если мы были и практически полезны, и вы смогли понять принципы монтажа, ремонта и обслуживания.

Дополнительно можете посмотреть видео в этой статье, там тоже рассказывается о принципах работы теплообменников. Пусть вода в кране всегда будет теплой, а жилье комфортным!

Использование разного вида рабочих сред

Грамотно подобранный теплоноситель способен значительно повысить производительность работы.

Водяной пар

Одним из широко распространенных теплоносителей является перегретый (насыщенный) водяной пар. Он обладает рядом достоинств: высокая интенсивность теплоотдачи, легкое транспортирование по трубам, возможность регулировать температуру. Чаще всего данный вид теплоносителя применяют в технологических процессах с многократным испарением, когда выпариваемый продукт направляется в подогреватели или другие выпарные установки.

Горячая жидкость

Не менее распространены в качестве агентов, циркулирующих по теплообменнику – горячие жидкости и вода. Они отличаются менее интенсивным подогревом и стабильно снижающейся температурой носителя.

Для пара и воды характерен один значительный недостаток: с повышением температуры происходит резкий рост давления в системе. На пищевых производствах аппараты не могут работать при температуре выше 160°С.

Масляный раствор

Масляный обогрев целесообразен в консервной промышленности, он позволяет эксплуатировать теплообменник при 200°С.

Горячий воздух и газ

Газ и горячий воздух (максимальная температура 300-1000°С) используются в сушильных устройствах и печах. Газообразные вещества имеют много недостатков: их трудно транспортировать и контролировать по температурному параметру, они обладают низким коэффициентом теплообмена, а топочные газы сильно загрязняют поверхность теплообменника.