Принцип работы теплообменника в системе отопления

Теплообменник для отопления представляет собой техническое устройство, передающее тепло между горячей и холодной средой. Приборы этого типа, применяемые для отопительных систем, делятся на несколько категорий в зависимости от принципа работы, взаимодействия сред, способа передачи тепла, а также направления движения носителя и потребителя тепла. При выборе теплообменного аппарата для дома или бани учитывают особенности конкретной системы отопления, плюсы и минусы прибора, его конструкцию и дополнительный функционал.

Устройство и принцип работы теплообменника

Конструкция теплообменного прибора напрямую зависит от его типа. Современные приборы для обогрева состоят из двух прижимных плит с отверстиями, к которым подключаются дополнительные элементы трубопровода. Носитель и потребитель тепла также поступают внутрь прибора благодаря наличию отверстий. Принцип работы теплообменника достаточно простой, его можно рассмотреть на примере пластинчатого агрегата. Поток тепла в таком приборе влияет на гофрированный слой в нем, постепенно набирающий скорость в процессе работы.

После запуска первого этапа среды начинают перемещаться навстречу друг другу с обеих сторон во избежание смешивания. На пластинах, расположенных параллельно, формируются рабочие каналы, во время перемещения по ним в каждой среде происходит тепловой обмен, в результате чего тепло выходит за пределы агрегата. В домашних или банных пластинчатых агрегатах внутренние потоки могут идти по схеме одноходового или многоходового типа с учетом технических характеристик и конкретных условий.

Перед выбором прибора полезно почитать информацию о том, для чего нужен теплообменник, узнать о типах агрегата, правилах его монтажа и эксплуатации.

Виды по принципу работы

По способу взаимодействия сред тепловые обменники могут быть поверхностными и смесительными. Схема подключения смесительного теплообменника считается более сложной.

Смесительные

В основе работы смесительных агрегатов лежит контакт двух веществ и смешивание потребителя и носителя тепла. Смесительный теплообменник для отопления делится на несколько категорий, сюда входят градирни с дымоходом, паровые барботеры, а также конденсаторы барометрического типа и сопловые подогреватели.

Поверхностные

Поверхностный теплообменник работает в котельной за счет передачи тепла сквозь контактную поверхность. Это могут быть пластины или труба в зависимости от типа прибора. Среды внутри таких агрегатов не смешиваются между собой, в чем заключается их главное отличие от смесительных аналогов.

По принципу передачи тепла поверхностные тепловые обменники делятся на два типа: регенеративные и рекуперативные.

• Принцип действия рекуперативного теплообменника основан на непрерывной передаче тепла сквозь контактную поверхность. Таким образом работают многие приборы пластинчатого типа.
• Стандартный или вторичный регенеративный агрегат предназначен для охлаждения и нагревания воздуха. В этих устройствах движение носителя и потребителя тепла происходит в периодическом режиме. Такие установки часто применяются в офисных многоэтажных зданиях.

Рекуперативные приборы делятся на две категории в зависимости от поверхности. Она может быть изготовлена из труб, такой вариант предназначен для работы в условиях высоких перепадов давления. Приборы с листовой поверхностью более компактны и имеют небольшой вес, поэтому монтаж теплообменника этого типа почти не доставляет проблем.

Кожухотрубные

Кожухотрубной прибор изготовлен из ребристых труб, увеличивающих площадь поверхности, которая передает тепло. Он может иметь конструкцию, включающую трубные решетки, с жесткой сцепкой всех деталей и элементов. Решетки в таком устройстве привариваются к стенкам корпуса, на сцепке к нему прикрепляются трубы. Конструкция с плавающей головкой считается более совершенной, аппараты этого типа стоят дороже, но считаются более практичными.

Погружные

Приборы такого типа часто устанавливают в многоэтажках. В них установлен змеевик в форме цилиндра, размещенный в сосуде с жидкостью. За счет простой конструкции время на отдачу тепла заметно сокращается.

Спиральные

Обвязка такого теплообменника состоит из металлических листов, скрученных в спираль и закрепленных на крене. Агрегатам этого типа нужна хорошая герметизация. Также нужно учесть, что установка спирального теплообменника требует специальных навыков. Спиральные приборы не используют в системах с давлением более 10 кгс/см2.

Пластинчатые

Пластинчатые приборы заслуженно считаются наиболее совершенными и идеально подходят как для частных домов, так и для производственных помещений. Они не доставляют проблем во время сборки и чистки, имеют минимальную степень сопротивления гидравлике. Схема подачи рабочей среды в них может осуществляться тремя способами: прямоточным, смешанным и противоточным.

Достоинства и недостатки

Современные агрегаты просты в обслуживании и не доставляют проблем во время разбора и промывания устройства. Пластинчатые теплообменники, которые устанавливают чаще всего, загрязняются медленнее за счет повышенной турбулентности и качественной полировки.

Тепловые агрегаты от ведущих производителей служат дольше по сравнению с водяными бойлерами, котлами ГВС и печами для домов и гаражей. Средний срок службы агрегата составляет около 10-20 лет. У большинства устройств практически нет недостатков за исключением необходимости чистить прибор по мере его загрязнения. Чтобы сократить скопление грязи внутри устройства, нужно всегда использовать качественный теплоноситель.

Правила выбора

В список основных критериев, на которые необходимо обращать внимание при выборе, входит:

• тип и качество применяемого теплового носителя;
• простота разборки и сборки;
• тип передачи тепла;
• возможность наращивать объем мощности в процессе эксплуатации.

Пластинчатые обменники чаще используют для систем охлаждения и подогрева холодильников и бассейнов, спиральные применяют в различных сферах промышленности, горизонтальные лучше подходят в качестве устройств подогрева.

Эксплуатация и уход

Своевременный осмотр, профилактика и замена деталей помогут сэкономить на ремонте и покупке нового прибора. На работе агрегата негативно сказывают процессы коррозии и эрозии деталей, фрикционный износ во время повышенной вибрации, а также воздействие высоких температур.

Если не устранить проблемы вовремя, конструкция может выйти из строя. Очистку устройства можно проводить самостоятельно или доверить ее специалисту.

Популярные производители

На российском рынке хорошо зарекомендовали себя разборные и паяные тепловые обменники от брендов РИДАН и ASTERA, отличающиеся высоким уровнем качества и доступностью необходимых запасных элементов.

Из зарубежных брендов покупатели чаще выбирают дизельные и стандартные устройства от ALFA LAVAL, DANFOSS и SONDEX.

При выборе агрегата нужно учитывать особенности системы в целом, смету, если речь идет о проекте, требования по количеству кВт, а также другие необходимые параметры.

Принцип работы и схема пластинчатого теплообменника

Теплообменник — это простое по своей конструкции оборудование, которое часто включается в схему различного рода промышленных устройств. В некоторых случаях пластинчатые теплообменники применяются в бытовых системах кондиционирования и охлаждения. Как ясно из названия, предназначены эти аппараты для отбора тепловой энергии от одной среды и передачи другой.

Особенности конструкции

Основное предназначение любого вида пластичного теплообменника состоит в преобразовании нагретой жидкости в охлажденную среду. Конструкция пластинчатого теплообменника имеет разборные части, а состоит устройство из следующих элементов:

• набора пластин;
• подвижной и неподвижной плиты;
• верхней и нижней направляющей округлой формы;
• элементов крепления, которые объединяют плиты в общую раму.

Размеры рам разных изделий могут значительно различаться. Они будут зависеть от теплоотдачи и мощности нагревателя — с большим количеством пластин повышается продуктивность оборудования и, естественно, увеличивается вес и габариты.

Преимущества пластинчатых приборов:

• незначительные производственные и инвестиционные затраты;
• высокоэффективная теплопередача;
• малые габариты;
• эффект самоочистки с помощью высокого турбулентного потока;
• возможность увеличить КПД благодаря добавлению пластин;
• высокая степень надежности;
• легкость промывки;
• небольшая масса;
• легкость монтажа;
• минимальное загрязнение поверхностей;
• невозможность смешения жидкостей за счет особой конфигурации уплотнения;
• высокая устойчивость к коррозии;
• минимальная поверхность теплообмена благодаря высокому КПД;
• незначительные потери давления благодаря оптимальному выбору пластин с разными видами профилей;
• эффективная регулировка температуры за счет небольшого объема теплоносителя.

В этом видео вы узнаете, как образуется горячая вода благодаря теплообменнику:

Устройство пластин

Конструкция и принцип работы пластинчатого теплообменника будет зависеть от модификации оборудования, в котором может находиться разное количество пластин с зафиксированными прокладками. Эти прокладки перекрывают каналы с проходящим тепловым носителем. Чтобы достигнуть необходимой герметичности прилегания пар соединенных между собой прокладок, достаточно крепления этих пластин с подвижной плитой.

Нагрузки, которые действуют на это устройство, распределяются, как правило, на пластины и уплотнители. Рама и элементы крепежа, по большому счету, представляют собой корпус оборудования.

Рельефная поверхность пластин во время сжатия гарантирует прочное крепление и позволяет всей системе теплообменника набрать необходимую прочность и жесткость.

Прокладки фиксируются на пластинах с помощью клипсового соединения. Необходимо сказать, что прокладки во время зажатия самостоятельно центрируются относительно своей оси. Утечка теплового носителя предотвращается благодаря окантовке обшлага, который дополнительно создает барьер.

Для устройства пластинчатого теплообменника изготавливаются несколько видов уплотнителей: с жестким и мягким рифлением.

Подробнее о теплообменном оборудовании:

В мягких пластинах каналы находятся под углом 30 градусов. Этот вид устройств характеризуется высокой теплопроводностью, но незначительной стойкостью к давлению теплового носителя.

В жестких элементах при изготовлении канавок делается угол в 60 градусов. Для этих устройств не характерна повышенная теплопроводность, их основное достоинство — возможность переносить значительное давление теплоносителя.

Для достижения наилучшего режима тепловой отдачи можно комбинировать пластины. Причем нужно учитывать, что для оптимальной работы устройства необходимо, чтобы оно функционировало в режиме турбулентности — тепловой носитель обязан передвигаться по каналам без каких-либо задержек. Между прочим, кожухотрубный теплообменник, где конструкция имеет схему «труба в трубе», обладает ламинарным течением теплоносителя.

В чем состоит преимущество? Во время одинаковых теплотехнических характеристик пластинчатое оборудование имеет значительно меньшие габариты.

Требования к прокладкам

К аппаратам с пластинами предъявлены довольно жесткие требования касательно герметичности оборудования, именно по этой причине на сегодняшний день прокладки начали изготавливать из полимеров. К примеру, этиленпропилен может с легкостью эксплуатироваться в условиях повышенных температур — и пара, и жидкости. Однако довольно быстро начинает разрушаться в среде, которая содержит большое количество жиров и кислот.

Теплообменники различаются количеством пластин

Крепление уплотнителей к пластинам производится чаще всего с помощью клипсовых замков, в редких случаях — с помощью клеящего состава.

Принцип работы

Если рассматривать, как работает пластинчатый теплообменник, то его принцип действия нельзя назвать очень простым. Пластины развернуты друг к другу под углом 180 градусов. Чаще всего в одном пакете находится по две пары пластин, которые создают 2 коллекторных контура: входа и выхода теплового носителя. Причем необходимо учитывать, что пара, которая находится с края, не задействуется во время теплообмена.

Сегодня изготавливается несколько различных типов теплообменников, которые, в зависимости от механизма работы и конструкции, делятся на:

• двухходовые;
• многоконтурные;
• одноконтурные.

Принцип работы одноконтурного аппарата следующий. Циркуляция теплоносителя в приборе по всему контуру производится перманентно в одном направлении. Помимо этого, производится и противоток тепловых носителей.

Многоконтурные устройства применяются лишь во время незначительного различия между температурой обратки и входящего теплоносителя. Движение воды при этом производится в различных направлениях.

Подробнее о пластинчатом теплообменнике:

Двухходовые устройства имеют два независимых контура. С условием постоянной регулировки тепловой подачи использование этих устройств является наиболее целесообразным.

Область использования

Сегодня есть несколько разновидностей теплообменников.

При этом каждый из приборов имеет уникальную конструкцию и особенность работы:

Устройства с разборной системой зачастую применяются в тепловых сетях, которые подведены к жилым домам и зданиям разного предназначения, в климатических системах и холодильных камерах, бассейнах, теплопунктах и контурах ГВС. Паяные приборы нашли свое предназначение в морозильных установках, вентиляционных сетях, устройствах кондиционирования, промышленном оборудовании разного предназначения, компрессорах.

Подробное устройство пластинчатого теплообменника

Полусварные и сварные теплообменники применяются в:

• вентиляционных и климатических системах;
• фармацевтической и химической области;
• циркуляционных насосах;
• пищевой сфере;
• системах рекуперации;
• аппаратах для охлаждения приборов разного предназначения;
• в отопительных контурах и ГВС.

Наиболее популярным видом теплообменника, который применяется в быту, является паяный, обеспечивающий обогрев либо охлаждение теплоносителя.

Характеристики и расчет

Пластины и уплотнители в качестве главных деталей теплообменных устройств производятся из разных по своим показателям и характеристикам материалов. Во время выбора в пользу определенного изделия основную роль играет его предназначение и сфера применения.

Если рассматривать отопительные системы и ГВС, то в этой сфере чаще всего используются пластины, которые сделаны из нержавейки, и пластичные уплотнители из специальной резины NBR или EPDM. Наличие пластин из нержавеющей стали дает возможность работать с тепловым носителем, нагретым до 120 градусов, в другом же случае теплообменник может разогревать жидкость до 180°C.

Между пластинами для герметизации расположены прокладки

При применении теплообменников в промышленной сфере и их подключении к технологическим процессам с действием масел, кислот, жиров, щелочей и других агрессивных сред используются пластины, которые сделаны из титана, бронзы и иных металлов. В этих случаях требуется установка асбестовых или фторкаучуковых прокладок.

Выбор теплообменника выполняется с учетом расчетов, которые производятся с помощью специального программного обеспечения.

Во время расчетов необходимо учитывать:

• расход нагреваемой жидкости;
• изначальная температура теплового носителя;
• затраты теплоносителя на отопление;
• необходимая температура прогревания.

В качестве нагревающей среды, которая протекает через теплообменник, может применяться нагретая вода до температуры 90-120°C или пар с температурой до 170°C. Тип теплового носителя подбирается с учетом вида используемого котельного оборудования. Размеры и число пластин выбираются так, чтобы получился теплоноситель с температурой, которая соответствует действующим стандартам — не выше 65°C.

Теплообменник может быть изготовлен из разных видов металла

Необходимо сказать, что главными техническими характеристиками, которые при этом также считаются и основными преимуществами, являются компактные габариты оборудования и возможность обеспечить довольно значительный расход.

Диапазон площадей обмена и вероятных расходов у аппаратов довольно высокий. Самые маленькие из них, к примеру, от компании Alfa Laval, имеют размер поверхности до 1 м² и при этом обеспечивают прохождение количества теплоносителя до 0,3 м³/час. Наиболее же габаритные приборы имеют размер около 2500 м² и расход, который превышает 4000 м³/час.

Способы обвязки

Теплообменные приборы чаще всего устанавливаются в отдельных помещениях, обслуживающих частные постройки, многоэтажные здания, теплопункты центральных магистралей, промышленные предприятия.

Небольшой вес и габариты оборудования дают возможность производить установку довольно быстро, хотя определенные изделия, которые обладают большой мощностью, нуждаются в сооружении фундамента.

Монтаж и обслуживание теплообменника лучше доверить специалистам

Во время монтирования аппарата нужно соблюдать основное правило: заливка болтов в фундаменте, с помощью которых теплообменник прочно крепится, производится в любом случае. Схема обвязки должна обязательно предусматривать подводку теплоносителя к находящемуся наверху патрубку, а к установленному внизу штуцеру производится подсоединение обратного контура. Подача разогретой жидкости подключается наоборот.

В подающем контуре требуется наличие циркуляционного насоса. Помимо основного, непременно устанавливается и одинаковый с ним по мощности запасной насос.

Если в ГВС находится магистраль обратного передвижения воды, то механизм работы и схема несколько меняется. Горячая вода, которая подается по контуру, перемешивается с холодной из водопровода, и только после этого смесь подается в теплообменник. Регулировка температуры на выходе производится с помощью электронного блока, который управляет клапаном входящего теплового носителя.

Чем больше пластин в теплообменнике, тем выше мощность

В двухступенчатой системе можно использовать тепловую энергию обратной магистрали. Это дает возможность рациональней применять имеющееся тепло и снизить чрезмерную нагрузку на котельное оборудование.

В любой из вышеописанных схем обвязки на входе в теплообменник обязан находиться фильтр. С его помощью можно не допустить засорения системы и продлить срок ее эксплуатации.

При всех иных достоинствах пластинчатые теплообменники не опережают старые кожухотрубчатые модели только по одному важному показателю: во время обеспечения значительного расхода пластинчатые устройства недостаточно нагревают теплоноситель. Этот недостаток устраняется расчетом незначительного запаса при выборе количества пластин.

Характеристика пластинчатых теплообменников: