Принцип работы теплообменника в котельной

Теплообменники, виды устройство и принцип работы которых будут описаны в статье, представляют собой специальные приборы для передачи тепловой энергии от нагреваемого теплоносителя к холодному. Последним может выступать газообразная или жидкая субстанция.

Область использования

Процесс теплообмена важен во многих отраслях промышленности, а именно в химической, пищевой, металлургической и энергетической областях. Теплообменное оборудование способствует передаче энергии между носителями посредством разделительной стенки между ними. Процесс можно назвать очень сложным, он разделяется по общепринятым канонам на теплопроводность, тепловое излучение и конвекцию. На практике данные процессы одновременно протекают в заданных пропорциях. Для теплообмена наибольшую важность играет конвективный процесс, который представляет собой совместное действие теплопроводности и конвекции.

Виды теплообменников

Теплообменники, виды устройство и принцип работы которых должны быть известны потребителю перед приобретением прибора, могут относиться к разным типам в зависимости от конструкции. Если классифицировать агрегаты по способу передачи тепла, то их можно разделить на смесительные и поверхностные, а также рекуперативные и регенеративные. Первая разновидность предусматривает передачу тепла посредством смешивания между собой двух рабочих сред. Такие устройства имеют более простую конструкцию, если проводить сравнение с поверхностными теплообменниками. В них тепловая энергия используется более полно. Однако можно выделить и недостаток, который выражается в возможности использования прибора только при смешивании теплоносителей.

Теплообменники, виды устройство и принцип работы которых описываются в статье, могут быть поверхностными, в них рабочий теплоноситель обменивается энергией сквозь стенки разделителя. Такие агрегаты могут быть регенеративными и рекуперативными.

Разновидности поверхностных теплообменников

Рассматривая характеристики теплообменников рекуперативного типа, вы сможете заметить, что их работа основана на передаче тепла посредством разделительной стенки. При этом вода устремляется в одном направлении в каждой из точек стенки. Вторая разновидность поверхностного теплообменника – регенеративный агрегат, он имеет отличительную особенность, которая выражена в том, что вода, касаясь определенной поверхности нагрева, время от времени изменяет направление потока.

Устройство и принцип работы кожухотрубных теплообменников

Самыми популярными в промышленности сегодня являются рекуперативные теплообменные устройства. Если разделить их по конструктивным особенностям, то можно выделить кожухотрубные агрегаты. Эти приборы представлены пучками труб, которые приварены к кожуху. Трубы, в свою очередь, зафиксированы к трубным решеткам, закрываются крышками на болтах или прокладках. Первый теплоноситель, преодолевая штуцер, расположенный на корпусе, течет по трубному пространству. Другой теплоноситель курсирует по трубам.

Такой кожухотрубчатый теплообменник имеет множество ходов, на крышке и корпусе его располагаются перегородки. Для повышения теплоотдачи трубы изготавливаются с оребрением методом навивки ленты или накатки. Кожухотрубчатый теплообменник может обладать довольно простой конструкцией, при этом устройство называется элементным и не имеет перегородок. Такие агрегаты могут допускать высокое давление, но конструкция их будет более тяжелой и громоздкой.

Принцип работы и устройство пластинчатого теплообменника для котельного оборудования

Пластинчатые теплообменники, виды, устройство и принцип работы которых описаны в данной статье, относятся к классу рекуперативных устройств. Эти аппараты имеют теплообменную поверхность, которая образована целым набором штампованных тонких стальных пластин с гофрированным основанием. Эти теплообменники для котлов имеют в составе элементы, собираемые в единый пакет, который формирует между собой каналы, по последним проходит теплоноситель, обменивающийся тепловой энергией.

Принцип работы таких устройств нельзя назвать самым простым, в нем пластины устанавливаются по отношению друг к другу с поворотом на 180 градусов. Это позволяет скомпоновать 4 элемента, из которых два будут относиться к коллекторному контуру отвода, тогда как другие – к подаче теплоносителя.

Два крайних элемента в процессе обмена тепловой энергией участвовать не будут. Подобные теплообменники для котлов могут обладать разным принципом действия в зависимости от компоновки, которая бывает многоходовой или одноходовой. В последнем случае теплоноситель разделяется на параллельно идущие потоки, он проходит по всем каналам и устремляется для вывода в порт. Многоходовая компоновка предполагает использование более сложной схемы, так как теплообменник в этом случае передвигается по одинаковому числу каналов. Это достигается несколько иным способом, который выражен в наличии дополнительных пластин. В них входят глухие порты. Помимо прочего, обслуживать данную разновидность пластинчатого теплообменника несколько сложнее.

Характеристики масляных теплообменников

Масляный теплообменник используется для того, чтобы исключить повышение температуры теплоносителя до критического предела в мощных двигателях. Если допустить перегрев моторного масла, то это может стать причиной серьезных проблем, которые могут быть выражены в изменении вязкости топлива, а также повышении интенсивности его выгорания. Если вещество оказывается перегретым, то смазка трущихся запчастей обеспечивается недостаточно качественно, это может усложнить охлаждение двигателя.

Читайте также:  Корма для курей бройлеров

Плюсы масляных теплообменников

Использование подобного устройства позволяет получить множество преимуществ. Во-первых, это исключение вероятности того, что температура масла окажется ниже температуры охлаждающей жидкости. Это указывает на то, что в деталях двигателя, которые соприкасаются с маслом, будет возникать меньше напряжения. Во-вторых, установку теплообменника можно осуществить в любом удобном месте на двигателе, при этом вы с легкостью сможете отказаться от множества соединений и длинных трубопроводов.

Теплообменники для бани: характеристики

Теплообменник для бани может классифицироваться в зависимости от местонахождения по отношению к отопительному прибору. Таким образом, располагаться прибор может непосредственно в теле печи, возле трубы дымохода или около корпуса отопительного прибора. Подобные агрегаты призваны выполнять одни и те же функции. Методом контакта с раскаленной поверхностью дымохода или топки они греют жидкость в емкости внушительного размера, используя при этом принцип конвекции. Их применение позволяет хозяевам расположить водяной бак не в самой парной, а в соседнем помещении. Изготовить такое устройство можно и самостоятельно, применив стальные листы, а также трубы. Только провести работы не удастся, если вы не имеете сварочного аппарата, а также не владеете навыками работы с ним.

В наше время во многих жилищах имеется такой отопительный агрегат, как газовый котел. Подобное оборудование прекрасно справляется со своей основной задачей благодаря продуманному устройству. Одной из наиболее важных деталей котлов является тепловой обменник. Сегодня мы ознакомимся с особенностями данной детали.

Назначение

Данная составляющая оборудования, действующего от газа, предназначена для выполнения отопительной функции. Именно конструкция указанной детали определяет функциональные характеристики самого котла.

Тепловой обменник призван передавать тепло между тепловыми носителями. Так, от горячего источника тепло передается холодному, после чего переходит непосредственно к жидкости, которую нужно подогреть в системе.

Через данную деталь проходит теплоэнергия, выделяемая при сгорании газа. Далее она передается непосредственно тепловому носителю.

Не стоит думать, что теплообменник – это простая деталь, представленная одной незамысловатой конструкцией. На самом деле существует несколько разновидностей данных элементов. Их тип влияет на итоговую стоимость оборудования, а также его технические характеристики.

Классификация и принцип работы

Как упоминалось ранее, сегодня существует несколько разновидностей тепловых обменников. Они различаются по своей конструкции и устройству. Рассмотрим их свойства и особенности подробно.

Первичные

Первичная разновидность обменника выполнена в форме крупной и изогнутой трубки, похожей на змеевик. Как правило, данную деталь изготавливают из металла, который не подвержен губительному влиянию коррозии. Кроме того, в плоскости такого элемента присутствуют специальные пластинки, имеющие различные размеры.

Обычно поверхности первичных тепловых обменников обрабатываются специальными красками, которые защищают основания от негативного внешнего воздействия и появления ржавчины.

Что касается принципа работы такого обменника, то он заключается в отправке энергии от газа к тепловому носителю. Уровень мощности обменника находится в зависимости от длины трубы и числа ребер.

Зачастую первичный теплообменник выходит из строя из-за грязи и копоти или активного внутреннего скопления солевых отложений. Если такие загрязнения оказывают влияние на деталь, то с течением времени она может начать работать со сбоями в процессе циркуляции. Кроме того, уровень теплопроводности стен агрегата от этого так же может ощутимо снизиться.

Специалисты настоятельно рекомендуют уделять должное внимание техническому обслуживанию подобных элементов. Обязательно требуется вовремя проводить работы по очистке и промывке первичных обменников. В противном случае они прослужат недолго, а КПД котла от этого существенно снизится.

Отопительное оборудование с такой деталью, как правило, стоит дешевле и имеет несложную конструкцию. Поломкам такие модели не подвержены, особенно если их вовремя обслуживать. Однако нужно учесть, что первичный тепловой обменник является менее функциональным, так как выполняет только одну задачу. Кроме того, очень важно учитывать тот факт, что такие изделия рекомендуется дополнять специальными фильтрами. Эти составляющие будут надежно защищать обменник от негативных внешних воздействий и разного рода отложений.

Вторичный

Вторичный, или теплообменник горячего водоснабжения, отличается от первичного экземпляра тем, что в его конструкции имеются специальные пластинки, которые соединяются между собой. Наиболее распространенными являются вторичные теплообменники, произведенные из стали.

В подобных моделях тепло передается от жидкости к жидкости. Они являются более надежными и долговечными. Что касается скорости теплового обмена, то она в таких моделях является более высокой. Благодаря данной особенности различные загрязнения/соли не откладываются на поверхности комплектующих деталей. Из-за этого обменники служат гораздо дольше, а также их не приходится постоянно подвергать очистке. Чем больше пластинок в таких изделиях, тем более высокими являются их параметры мощности, а также эффективность выполняемой задачи.

Подобные детали отличает то, что они имеют довольно крупный участок для теплового обмена. Кроме того, на таких теплообменниках почти не накапливаются следы коррозии.

Такие разновидности теплообменников хороши своей многофункциональностью – они отвечают не только за отопление жилища, но и за обеспечение горячим водоснабжением (ГВС). Обычно котлы с этими элементами стоят дороже, однако их покупают больше за счет практичности и необходимого функционала.

Читайте также:  Труба всасывания для пылесоса

Совмещенный (битермический)

Такой тепловой обменник отличается от остальных вариантов тем, что имеет двойной обмен тепла – от теплоносителя к воде и от газа к тепловому носителю. Вода в отопительной трубе подогревается с внешней стороны, а в это время внутреннее отделение подготавливает горячую воду.

Эти детали являют собой трубу с припаянными к ней пластинками-ребрами из меди. При этом сама труба является двойной (с двумя раздельными отсеками). Ее внутренняя часть отвечает за горячую воду, а внешняя предназначена для самого теплового носителя.

Совмещенная разновидность теплового обменника имеет одно важное преимущество – для нее характерна очень простая конструкция, не подверженная поломкам. В данном случае вторичный теплообменник не нужен, как и трехкодовый клапан. Благодаря этим характерным особенностям котлы с подобными элементами обходятся недорого, а их размеры являются компактными.

Разумеется, такие варианты обменников имеют и свои минусы. Например, они не могут похвастаться большой мощностью в режиме горячего водоснабжения. Кроме того, подобные разновидности подвержены солевым отложениям. Соли, которые содержатся в воде, в короткие сроки оседают на таких деталях, что негативно сказывается на работе котла в целом.

Также нужно учитывать, что ремонт битермических обменников – дело не из простых. По словам специалистов, в 90% случаев починка этих моделей не представляется возможной. Кроме того, далеко не каждый мастер соглашается работать с подобной деталью, а те, кто все-таки берется за такую работу, не всегда имеют достаточную квалификацию. Кроме того, совмещенные элементы подвержены появлению протечек из-за большого числа внутренних стыков и соединений.

Материалы

Современные тепловые обменники изготавливают из различных материалов. Именно от этого параметра зависят многие качества данных деталей, а также их плюсы и минусы. Рассмотрим подробнее, из чего обычно производят теплообменники для газовых котлов.

Стальной

Чаще всего в газовом отопительном оборудовании встречаются тепловые обменники из стали. Их распространенность объясняется демократичной стоимостью стали и простотой ее обработки. Стальные детали имеют свои отличительные характеристики, например, такой теплообменник получается довольно пластичным. Кроме того, подобные варианты отличаются долгим сроком службы, что привлекает многих потребителей.

Нужно отметить, что пластичность стальных экземпляров играет одну из важнейших ролей, если речь идет о контакте обменника с высокими температурами. Благодаря такой характеристике на составляющих элементах котла не образуются трещины, когда во внутренней части металла рядом с горелкой формируется серьезное тепловое напряжение.

Однако у стальных вариантов есть один серьезный минус – они подвержены образованию коррозии. Разумеется, появление ржавчины сокращает срок службы обменника. Кроме того, нужно учитывать, что дефекты такого рода могут появиться и на внутренней, и на внешней половине устройства.

Еще одним минусом стальных обменников является их большой размер и вес. Кроме того, с подобными деталями будет возрастать потребление газа. Это происходит, потому что большинство современных производителей стремятся добиться высокого уровня инертности и расширяют объем внутренних полостей теплового обменника.

Кожухотрубная конструкция теплообменника, где среды движутся навстречу друг другу по трубкам, помещенным одна в другую, постепенно уходит в прошлое. Эти громоздкие устройства больших габаритов хотя и функционировали довольно эффективно, но не могли похвастать большим расходом нагреваемой среды. Им на смену пришли новые агрегаты – скоростные пластинчатые теплообменники. Их устройству, принципу действия и применению как раз и посвящена данная статья.

Устройство и принцип работы пластинчатого теплообменника

Конструктивно агрегат в корне отличается от своего кожухотрубного предшественника. Площадь поверхности обмена тепловой энергией у последнего наращивалась за счет увеличения длины змеевика, отсюда и большие габариты аппарата. В новом теплообменнике это достигается путем увеличения количества пластин одинаковой площади.

Имея такую же мощность, он по размерам втрое меньше кожухотрубного, при этом способен обеспечить большой расход нагреваемой среды, например, воды для нужд ГВС. Отсюда и возникло второе название агрегата – скоростной. Ниже на схеме показано устройство пластинчатого теплообменника:

1, 11 – подающий и обратный патрубки для подключения греющей среды (теплоносителя); 2, 12 – входной и выходной патрубки нагреваемой среды; 3 — передняя неподвижная плита; 4, 14 – отверстия для протока теплоносителя; 5 – малая уплотнительная прокладка в виде кольца; 6 – рабочая теплообменная пластина; 7 – верхняя направляющая; 8 – задняя подвижная плита; 9 – задняя опора; 10 – шпилька; 13 – большая прокладка по контуру пластины; 15 – нижняя направляющая.

На схеме представлен пластинчатый теплообменник для отопления самой простой конструкции с патрубками, расположенными по разные стороны агрегата. Между двумя плитами, установленными на двух направляющих, зажато определенное число пластин с резиновым уплотнением между ними. На каждой пластине с целью увеличения поверхности обмена выполнено рельефное гофрирование, как изображено на фото:

Присоединительные патрубки также могут находиться и с одной стороны аппарата, на передней плите, что не оказывает влияния на принцип работы пластинчатого теплообменника. Он заключается в том, что пространство между каждыми последующими пластинами поочередно заполняется то теплоносителем, то нагреваемой средой. Очередность заполнения обеспечивается формой прокладок, в одной секции они открывают путь потоку теплоносителя, в другой – поглотителя тепла.

Читайте также:  Запах формальдегида от мебели

Во время работы в каждой секции, кроме первой и последней, происходит интенсивный обмен теплом через пластины сразу с двух сторон. Обе среды протекают через свои секции навстречу друг другу, нагревающая подается сверху и выходит через нижний патрубок, а нагреваемая – наоборот. Как это работает, отображает функциональная схема пластинчатого теплообменника:

Технические характеристики

Пластины и прокладки могут изготавливаться из различных материалов, их выбор зависит от назначения агрегата, ведь сфера применения подобных теплообменников весьма широка. Мы же рассматриваем системы отопления и ГВС, где они выступают в качестве теплосилового оборудования. Для этой сферы пластины делаются из нержавеющей стали, а прокладки – из резины NBR или EPDM. В первом случае теплообменник из нержавеющей стали может работать с водой, нагретой до максимальной температуры 110 ºС, во втором – до 170 ºС.

Для справки. Данные теплообменники используются и для разных технологических процессов, когда сквозь них протекают кислоты, щелочи, масла и другие среды. Тогда пластины производятся из титана, никеля и различных сплавов, а прокладки – из фторкаучука, асбеста и других материалов.

Расчет и подбор теплообменника осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения по таким параметрам:

  • требуемая температура нагрева жидкости;
  • исходная температура теплоносителя;
  • необходимый расход нагреваемой среды;
  • расход теплоносителя.

Примечание. В качестве греющей среды, протекающей сквозь пластинчатый теплообменник для ГВС, может выступать вода температурой 95 или 115 ºС, либо пар, нагретый до 180 ºС. Это зависит от типа котельного оборудования. Количество и размер пластин подбирается таким образом, чтобы на выходе получить воду с максимальной температурой не более 70 ºС.

Надо сказать, что преимущества пластинчатых теплообменников заключаются не только в скромных размерах и способности обеспечить большой расход. Дело в том, что диапазон подбираемых площадей обмена и расходов у рассматриваемых агрегатов чрезвычайно широк. Самые малые из них имеют площадь поверхности менее 1 м2 и рассчитаны на протекание 0.2 м3 жидкости за 1 час, а наибольшие – 2000 м2 при расходе свыше 3600 м3/ч. Ниже в таблице представлены технические характеристики, которые показывает эксплуатация пластинчатых теплообменников известного бренда ALFA LAVAL:

По исполнению теплообменные агрегаты бывают следующих видов:

  • разборные: наиболее распространенный вариант, позволяющий быстро и качественно осуществлять ремонт и обслуживание скоростного теплообменника;
  • паяные или сварные: такие аппараты не имеют резиновых прокладок, там пластины жестко соединены между собой и помещены в цельный корпус.

Примечание. Именно паяные теплообменники многие мастера-умельцы используют для частного дома, приспосабливая их под нагрев или охлаждение воды.

Обвязка теплообменника

Как правило, установка подобного теплосилового оборудования предусматривается в индивидуальных котельных многоквартирных жилых домов или промышленных предприятий, а также в тепловых пунктах централизованных систем теплоснабжения. Цель – получить воду для нужд ГВС температурой до 70 ºС либо теплоноситель до 95 ºС при использовании паровых и высокотемпературных водогрейных котлов.

Ввиду небольших габаритов и веса монтаж теплообменника производится достаточно просто, хотя мощные агрегаты и требуют устройства фундамента. В любом случае выполняется заливка фундаментных болтов, с помощью которых аппарат надежно фиксируется на своем месте. Теплоноситель всегда подводится к верхнему патрубку, а обратный трубопровод присоединяется к штуцеру, расположенному под ним. Подача нагреваемой воды подключается, наоборот, к нижнему патрубку, а ее выход – к верхнему. Простейшая схема обвязки пластинчатого теплообменника показана ниже:

В контуре подачи теплоносителя обязательно присутствует свой циркуляционный насос, установленный на подающем трубопроводе. В соответствии с правилами помимо рабочего насоса параллельно ставится резервный такой же мощности. Если же в системе ГВС имеется магистраль обратной циркуляции, то схема подключения приобретает такой вид:

Здесь используется тепло воды, идущей по замкнутому контуру ГВС, к ней подмешивается холодная из водопровода и только потом смесь поступает в теплообменник. Регулирование температуры на выходе осуществляет электронный блок, управляющий клапаном на линии подачи теплоносителя. Ну и последняя схема – двухступенчатая, позволяющая использовать тепловую энергию обратной линии системы отопления:

Схема позволяет существенно экономить, снимая лишнюю нагрузку с котлов и используя имеющееся тепло по максимуму. Следует обратить внимание, что во всех схемах на входе в скоростной теплообменник устанавливаются фильтры. От этого зависит надежная и долговечная работа агрегата.

Заключение

Как показывает практика, современный пластинчатый теплообменник все же немного уступает старому кожухотрубному по одному критерию. Выдавая большой расход, скоростные агрегаты немного недогревают выходящую жидкость, этот недостаток обнаружен специалистами во время эксплуатации. Поэтому при подборе количества и площади пластин принято делать небольшой запас.

Оставьте ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *