Теплообменники: виды, устройство и принцип работы

Теплообменник – оборудование, в рабочем блоке которого налажен теплообмен между элементами с различными температурами.

Как выглядят теплообменники

Достоинства систем отопления на основе теплообменников:

легкость в эксплуатации и простота технического обслуживания;
долговечность;
равномерность отопления больших площадей;
удобная система терморегулирования;
отсутствие громоздких радиаторов;
тепловой комфорт в помещении.

Сферы применения

Устройство, схема и принцип работы проточных газовых колонок

Выделяют следующие сферы использования теплообменивающего оборудования:

системы охлаждения;
отопительные системы;
системы кондиционирования;
химическая промышленность;
обогрев бассейнов;
солнечные коллекторы;
машиностроение;
вентиляционные системы;
металлургия;
фармация;
автопроизводство;
пищевая промышленность.

Помимо этого, возможно применение теплообменивающего оборудования для отопления частных домовладений. Установить устройство можно как самостоятельно, так и с помощью мастера. Использование такой техники помогает равномерно распределить тепло в помещении.

Методы промывки

Есть простые вариации, практические не предусматривающие расходов, есть бюджетные с минимальными вложениями, и профессиональные – стоят намного дороже, но отличаются высокой эффективностью.

Как промыть вторичный теплообменник газового котла тем или иным способом? И когда логично применять их. Всё зависит от объёма отложений.

В самой простой ситуации достаточно механического очищения. Снаружи очищаются рёбра ВТ. В работе применяется любая твёрдая щётка, лопатка, скребок или тросик. Здесь очень важно не повредить пластины.

Второй метод –промывка в специальном составе. На практике он сочетается с первым способом и следует сразу после него.

Деталь помещается в ёмкость с кислотной смесью. Вид используемой кислоты: соляная или лимонная. Подходящие пропорции: 100 грамм на 10 литров. Воды.

Кислоты можно заменять любыми препаратами от накипи. Через 30-40 минут ВТ достаётся из ёмкости. С него аккуратно стирается оставшаяся накипь.

Попутно очищается и змеевик. Здесь применяется особый ёршик из стали.

Третий метод – химический. Через ВТ прокачиваются более агрессивные вещества с применением специального насоса. Он присоединяется к патрубкам детали.

Рекомендуем: Что нужно знать о горелках на пиролизном газе?

Подходящие средства для работы отражены в данной таблице:

Средства	Описание	Пропорция к воде: граммы: литр	Температура воды	Цена средства (руб.)
Лимонная кислота	Популярное народное средство	100 : 10-12	50-70°C	50 – 1 пакетик.
Термагент Актив	Универсальная жидкость с мощным эффектом	1 : 9	40-50°C	1500 – канистра на 10 кг.
STEELTEX Cooper	Один из самых эффективных препаратов, но годится для работы с деталями из лёгких сплавов	1:6 до 1:10	40-60°C	1300 – ёмкость на 5 кг
Detex	Концентрат с эффективными биологическими веществами. Превосходно очищает стальные, чугунные и медные детали	200-500 :10	40-50°C	4900 – канистра 10 л.
Соляная кислота	Эффективно убирает сильную накипь	100 : 10	50-70°C	50 – 1 кг

В ёмкость со смесью почти до самого дна кладётся шланг, одной стороной присоединённый к ВТ, а второй – к насосу. Так получается необходимая циркуляция. Процедура длится 30-40 минут. Затем деталь тщательно промывается обычной водой.

Четвёртый метод не предусматривает извлечение компонента. Это гидродинамическая промывка вторичного теплообменника газового котла. Но её осуществляют только профессионалы. Здесь требуется специальная технология и соблюдение критериев безопасности.

Её принцип – это прогон специального состава по системе котла под мощным давлением (1,5-2 бар). Работа производится бустером. В очистительную жидкость добавляются абразивные элементы.

Это самый эффективный метод, мягко убирающий все отложения и вычищающий деталь до торгового вида.

Если вы сомневаетесь в успехе самостоятельной очистки, можно заказать эту услугу. Все операции реализуются за день. Их ценник обуславливается такими факторами:

регионом,
мощности и модификацией котла,
наценкой компании,
применяемой техники и химикатов.

В Москве и центральном регионе клиенты за услуги платят порядка 3 500-9 000. В Питере – 3000 – 7000 руб. В других регионах: 1700 – 4500 руб.

Классификация

Классификация теплообменников предусматривает их деление на такие виды:

пластинчатые;
трубчатые.

Терморегулятор для радиатора отопления: виды и принцип работы

Пластинчатые устройства включают набор пластин с волнистыми каналами со штамповкой и поверхностями, предназначенными для циркуляции жидкостей. Пластины соединены при помощи прорезиненных прокладок и стяжек. Преимущества подобных устройств – легкость в применении и компактность.

Пластинчатые теплообменники находят все более широкое применение. Сфера их использования не ограничивается только промышленным оборудованием, возможен также монтаж этих устройств в жилых домах для монтажа отопительных систем.

Пластинчатые теплообменники классифицируются на группы:

неразборные (они же сварные и паяные);
полусварные;
разборные.

Разборные устройства наиболее популярны. В них пластины разделены при помощи резиновых уплотнителей. Установка не занимает много времени, а эксплуатация не вызывает трудностей.

Классический вариант пластинчатых теплообменников имеет входные и выходные патрубки на поверхности передней плиты. Некоторые устройства имеют патрубки и на передней, и на задней панелях. Рабочие среды подсоединяются к патрубкам посредством фланцевых, резьбовых, стальных соединений. Некоторые модели имеют меньшее количество патрубков, тогда теплоносители подсоединяются непосредственно к плите.

Трубчатые теплообменники включают трубы малого диаметра, вваренные в другие трубы. Достоинствами устройства считается применение в условиях повышения давления.

По критерию способа теплообмена техника подразделяется на смесительную и поверхностную. Устройства смесительного типа передают тепло при плотномконтактировании носителей. Поверхностные теплообменники содержат два контура, в которых происходит перемещение сред с отличными температурами. Обмен теплом между ними возможен через поверхностные элементы пластин, стенок, листов или труб, которые выполнены из теплопроводящих материалов (нержавеющей или высокоуглеродистой стали, сплавов цветных металлов). Этот тип оборудования применяется в жилищно-коммунальном хозяйстве, промышленных предприятиях и в организации малого бизнеса.

Поверхностные теплообменники делятся виды: рекуперативные и регенеративные. Рекуперативные теплообменники характеризуются константным обменом тепла посредством стенок контуров при однонаправленном движении носителей. В регенеративных устройствах происходит поочередный контакт носителей с теплообменивающей поверхностью.

Рекуперативные теплообменники тоже классифицируются:

Погружные. Принцип работы предусматривает движение одного теплоносителя по змеевику, который погружен в бак, содержащий второй жидкий теплоноситель. Модель отличается удобством в применении, характеризуется оптимальной стоимостью.
Оросительные. Сфера применения – как конденсаторы в системах охлаждения. Теплобменники выглядят как змеевики из горизонтальных труб, которые размещены в вертикальной плоскости. У каждого ряда труб есть желоб, по которому на них стекает вода пониженной температуры. Вода, которая не испарилась, возвращается в систему благодаря насосу.
Витые. Представляют собой систему труб, намотанных на сердечник. Компактны и высокоэффективны.
Спиральные. Для оборудования характерен вид двух спиральных каналов, которыми обвита центральная перегородка. Предназначены для охлаждения и нагрева вязких жидкостей.
Кожухотрубные. Трубные решетки присоединены к кожуху посредством сварки. В них закрепляются трубы. Крепление их происходит плотно при помощи развальцовки. Решетки закрыты крышками на шпильках, болтах и прокладках. Кожух включает штуцера (патрубки). Принцип работы заключен в циркуляции носителя тепла в межтрубном пространстве и по трубам. Увеличение теплоотдачи происходит при помощи оребрения.
Секционные – последовательность секций, которые представляют собой кожухотрубные устройства.
Пластинчатые. Включают набор пластин с волнистыми поверхностями со штамповкой и каналами для движения жидкостей. Возможна работа только при пониженном давлении.

Кожухотрубный теплообменник

Материал изготовления

Изготавливают теплообменник для котла из материалов прочных, хорошо проводящих тепло, не склонных к коррозии и достаточно устойчивых к давлению. Поскольку приходится учитывать и стоимость материала, выбор невелик.

Сталь

Стальной теплообменник дешевле в цене, но менее долговечный
Это самый доступный материал. Сталь очень прочная, но хорошо поддается обработке. Цена невелика. Плюс такого варианта – стойкость к высокой температуре. Сталь пластична и при нагреве не покрывается трещинами, не деформируется даже на участках, контактирующих с горелкой.

Стальной теплообменник на твердотопливный или газовый котел склонен к коррозии. Вода внутри трубок и продукты сгорания в камере котла разрушительно действуют на материал. Это сказывается на долговечности. Модель из стали много весит, это приводит к дополнительному расходу топлива на прогрев самого элемента.

Теплообменник из нержавеющей стали устойчив к коррозии и служит не менее 50 лет.

Чугун

Материал гораздо устойчивее к коррозии чем сталь, не боится ржавчины и действия кислотных ангидридов. Срок эксплуатации достигает 50 лет. Однако чугун – сплав хрупкий, под действием температуры может растрескиваться. Чтобы избежать повреждений, чугунный трубчатый теплообменник необходимо промывать: если используется обычная вода, то 1 раз в год; если антифриз – то 1 раз в 2 года; если дистиллированная жидкость – 1 раз в 4 года.

Вес элемента из чугуна еще больше, поэтому на нагрев приходится тратить больше топлива и времени.

Медь

Медь – благородный металл, не подверженный никаким видам коррозии. Она химически инертна, отлично переносит давление. Медь лучше проводит тепло, поэтому для нагрева самого элемента и протекающей жидкости требуется меньше топлива. Вес медной модели невелик, размеры компактны при очень развитой рабочей поверхности.

Недостаток – высокая цена. Также медный теплообменник слишком чувствителен к нагреву до высоких температур. Чаще встречается у котлов от зарубежных изготовителей.

Строение и принцип работы

Механизм действия легко рассмотреть на примере пластинчатого теплообменника заводской сборки. Структура предусматривает два контура и четыре выхода. Пластинчатое устройство разделяет потоки по давлению и температуре. Теплоносителями выступают кислоты и другие жидкости.

Кран Маевского: принцип работы

Теплообменники для отопления предполагают подключение к одному контуру теплых полов, а к другому – теплоцентрали.

Прямое подключение центрального теплоносителя невозможно, поскольку это приводит к выходу из строя теплого напольного покрытия.

Это происходит из-за повышения давления в теплоцентрали, температурных перепадов и присутствия химически агрессивных веществ в теплоносителе.

Строение теплообменника представлено на рисунке ниже.

Схематичное устройство пластинчатого теплообменника

Структуру теплообменника составляют:

станина, которая с одной стороны устройства прикрепляется к неподвижной прижимной плите и служит элементом опоры;
пакет пластин, образующий между составляющими элементами каналы для теплоносителя;
рама, которая состоит из подвижной прижимной плиты , неподвижной прижимной плиты и задней стойки;
кожух, служащий для защиты устройства от внешних воздействий;
шпильки, которые размещены по краю отверстий, через которые в устройство поступает теплоноситель;
прокладка, необходимая для герметичности каналов;
опорные и крепежные элементы (направляющие балки, несущая база, лапы станины и рамы, подшипники, болты, гайки, шайбы).

Синие и красные стрелки на рисунке обозначают направления движения холодного и горячего теплоносителя внутри теплообменника соответственно.

В быту применяют теплообменник, чей принцип функционирования основан на разделении потоков и поддержании автономного функционирования теплых полов при пониженном уровне рабочего давления в 1,5 бара и подключении чистой воды.

Структуру теплообменного оборудования составляют три группы пластин:

Набранные, принадлежащие автономной системе отопления с пониженным уровнем давления.
Набранные, принадлежащие центральной системе отопления с повышенным уровнем температуры и давления.
Разделительные, характеризующиеся малой толщиной и передающие тепло от централизованной системы к автономной.

Число и параметры пластин предопределяют мощность теплообменного оборудования. Каждое устройство предполагает установку очистительного фильтра. Он способен удержать грубые частицы: окалины, стружку и прочие. Фильтр нуждается в периодическом промывании очистительными растворами.

Принцип работы теплообменника

Принцип работы теплообменника заключается в передаче тепловой энергии от одного теплоносителя к другому. В устройство поступает прямая греющая среда и холодная среда. При прохождении их между пластинами по каналам происходит нагревание холодной среды. На выходе из теплообменника получают нагретую среду и обратную греющую среду. Внутри оборудования теплообменивающие жидкости движутся навстречу друг другу, то есть в противотоке, и не могут смешиваться, поскольку разделены пластинами.

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.

Характеристики оборудования

Теплообменное оборудование маркируется следующими данными:

уровень тестового давления;
уровень максимального рабочего давления;
уровень максимальной рабочей температуры;
производитель.

Помимо этого, в комплектацию входят схема и техпаспорт на языке страны-производителя, в нужных случаях переведенный на язык продающей страны.

Возможно диагональное и вертикальное расположение контуров. При диагональном расположении контуров требуется производить установку только в вертикальное положение. Тогда возможно поступление горячей воды в теплообменивающий аппарат в направлении сверху вниз. При этом происходит передача тепла в автономную систему посредством разделительных пластин.

Вода на входе – повышенной температуры, а на выходе она снижена. При этом в контуре, принадлежащем автономной системе, движение теплоносителя происходит снизу вверх. На нижних уровнях происходит слабый нагрев воды, при приближении к верхним – нагрев усиливается. Это облегчает функционирование системы. Подача воды в оборудование возможна благодаря принудительной циркуляции.

Неисправности, ремонт

Газовые обогреватели имеют световую индикацию. Она предназначена для оповещения о неисправностях. Каждый производитель создает свой код знаков, содержащийся в паспорте. Если паспорта нет, можно скачать в интернете. Неисправности можно разделить на две категории:

те, что можно устранить своими силами;
требующие вмешательства специалиста.

Что можно исправить самому, в паспорте не оговаривается. Распространенные поломки теплообменника:

разгерметизация;
засор.

Устранение протечки производится паяльником, сваркой, в зависимости от металла. Вторая неисправность возникает из-за некачественного теплоносителя, накипи. Устраняется промывкой. Для удаления накипи можно использовать кислоту ортофосфорную, лимонную. Первая более эффективна. Как сделать, показано в ролике:

Иногда встречается заводской брак, но чаще неисправность возникает из-за неправильного использования аппаратов. Если строго следовать рекомендациям изготовителя, изделие прослужит долго, качественно. Ремонт котла:

Монтаж

Монтаж пластинчатого теплообменника, как наиболее распространенного, осуществляется по трем вариантам:

параллельному;
смешанному двухступенчатому;
последовательному двухступенчатому.

При параллельном монтаже требуется установить терморегулятор. Этот способ экономит пространство, время, а также не требует больших затрат. Двухступенчатая смешанная схема обеспечивает значительную экономию теплоносителя. Это достигается благодаря использованию обратного тока теплой воды для обогрева потока с более низкой температурой.

Использование последовательной схемы применяет разделение входящего потока на две ветки. Одна из них проходит сквозь регулятор, другая – сквозь подогреватель. Далее оба потока смешиваются, после чего попадают в отопительный блок. Это экономит теплоноситель. Полная автоматизация оборудования невозможна.

Теплообменники закрепляются на стене с помощью крепежной ленты, консоли и уголка, прикрепленного к нижней части устройства. После этого требуется провести установку фильтров. Минимальное условие – присутствие фильтрующей системы в системе теплоцентрали. Перед установкой стоит подготовить краны и американки – резьбовые разъемные соединительные компоненты. Каждый из них включает в состав накидную гайку, прокладку и два фитинга. Важно правильно подбирать запчасти, чтобы они подходили к диаметру системы подключения. Тогда монтаж не вызовет затруднений.

Внешний вид пластинчатого теплообменника

Буржуйка с теплообменником. Видео

Про особенности изготовления буржуйки из газовых баллонов с теплообменником можно узнать из видео ниже.

Несмотря на широту сфер применения теплообменников, наиболее популярным является их использование в качестве дополнительной системы отопления. Оптимальные технические характеристики обеспечивают качественный прогрев помещений любой площади. Установка полов с теплообменниками не занимает много времени, они просты в эксплуатации и долговечны. Необходимо своевременно проводить профилактические осмотры системы, чтобы своевременно устранять возможные проблемы.

Правила выбора

Виды теплоносителей, используемых для систем отопления
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.

Расчеты мощности

Самостоятельно рассчитать мощность рекуператора при отсутствии исходных данных (мощности печи, температуры и количества исходящих газов в единицу времени, площади соприкосновения теплообменника и металла дымохода, скорости прохождения воздуха или воды через устройство) практически невозможно . Можно измерить мощность уже смонтированного теплообменника.

Ориентировочно стоит рассчитывать на то, что теплообменник на дымопроводе твердотопливной печи или камина прогреет пару небольших радиаторов, повысит температуру в гараже или сделает теплее комнату в мансарде, предбанник в бане.

Воздушный бак

Усовершенствовать обычную буржуйку или банную печь с прямым дымоходом можно, если установить на воздушный теплообменник на дымоход. Он представляет собой цилиндрический корпус, по которому проходят несколько полых труб. Подсос воздуха происходит снизу, нагреваясь в трубе, он выходит из теплообменника, увеличивая КПД печи на 15-20%. Воздуховоды можно вывести в соседнее помещение, обогрев таким образом от одной печи несколько комнат или секций гаража.
Видео: как сделать воздушный теплообменник на дымоход

Еще одна оригинальная конструкция печи с воздушным теплообменником на дымоходе для отопления гаража показана в видео-ролике. С помощью такой печки можно отопить не только гараж, но и любой хозяйственное помещение, включая сельскохозяйственные постройки и теплицы.

Из гофротрубы

Дешевый и простой способ устройства воздушного теплообменника — использование для этой цели гофрированных вентиляционных труб. Их оборачивают вокруг неутепленной части дымохода, в результате воздух в гофре прогревается и за счет тепловой конвекции поступает в соседние комнаты. Чтобы гофротруба прогревалась эффективнее, можно обернуть ее вместе с дымоходом несколькими слоями фольги.

Система с гофротрубой удобна для отопления гаража, в котором установлена простая буржуйка из чернового металла. Такая печь быстро нагревает воздух, но он поднимается к потолку, из-за чего на уровне пола температура остается низкой. Если вывести воздуховоды ближе к полу, можно создать естественную циркуляцию нагретого воздуха, и во всем объеме гаража температура станет примерно одинаковой.

Теплообменник колпакового типа

Теплообменники в виде колпака обычно используют для отопления мансарды или второго этажа. Принцип его действия заключается в том, что нагретый от дымохода воздух поднимается под потолок, где задерживается колпаком и, постепенно остывая, опускается вниз, в комнату.

Колпак можно выполнить или оцинкованного металла или огнестойкого гипсокартона и вывести воздуховоды в нужном месте. Иногда колпак декорируют камнями, которые, нагреваясь, служат дополнительным теплоаккумулятором.

Механизм функционирования

Металлическая печка, размещенная в доме, гараже или бане, в обязательном порядке оснащается дымоходом для вывода угарных газов и организации тяги. Эта труба в процессе протапливания печи может достигать очень высоких температур, порядка 200-500 ℃, что небезопасно для находящихся в помещении людей.

Если установить теплообменник на дымовую трубу, то можно существенно увеличить КПД печи, а также обезопасить себя от прямого контакта с горячей поверхностью. В установленном на дымоходе баке или змеевике теплоносителем будет выступать вода, однако, можно монтировать и воздушный теплообменник на трубу дымохода. Благодаря прямому контакту дымовой трубы с теплоносителем, их температурные показатели уравновешиваются, то есть вода или воздух постепенно нагреваются, а стенки трубы остывают.

По мере повышения температуры воды внутри регистра на трубу, она поднимается вверх, где попадает через специальный штуцер в водяной бак. Посредством входного штуцера, расположенного в нижней части теплообменника, в него попадает холодная вода, замещая теплую. Такая циркуляция продолжается постоянно, при этом вода может нагреться до очень высоких значений.

Воздушный радиатор на трубу дымохода имеет аналогичный принцип работы. Холодный воздух поступает внутрь теплообменника снизу, а после нагревания поднимается вверх и через трубопровод подается в отапливаемые помещения. Кроме того, пластины радиатора также отдают тепло. Воздушный теплообменник оптимален для отопления мансард на даче или предбанников бани, если такие помещения протапливаются лишь время от времени. В них нецелесообразно организовывать водяное отопление, поскольку придется постоянно заливать и сливать воду из системы.

Коротко о главном

Теплообменник банной печи нагревает воду во время топки конструкции. Горячая жидкость накапливается во внешнем блоке. Из него же поступает холодная вода. Циркуляция выполняется по принципу самотека и в результате естественной конвекции.

Соединяются две конструкции гибкими шлангами под наклоном. Их общая длина не должна превышать 3 м. Внешняя емкость всегда располагается выше печки. Система обязательно оснащаются краном для удобного использования горячей воды.

Подключение наружного резервуара к банному теплообменнику обеспечивает безопасное горячее водоснабжение в постройке. Это более практичный вариант, чем навесная накопительная конструкция, о которую легко обжечься.

Негативные моменты

Наряду с пользой теплообменника на дымоходе, стоит отметить и ряд негативных факторов. Во-первых, из-за такой конструкции температура выходящих газов существенно снижается. Это может провоцировать излишнее накапливание сажи, образование конденсата и ухудшение тяги.

Немаловажный момент обустройства такой системы отопления – это просчитать, какой объем воды нужен для ее полноценного функционирования. Если ее будет мало, система может перегреться, вода в ней закипит, и трубы могут разорваться. Кроме того, важно обеспечить герметичность швов.

В любом случае, обустройство теплообменника позволяет увеличить эффективность любой печи. В целях безопасности, как минимум, дважды в год следует проводить визуальную диагностику системы и ее обслуживание – чистку сажи, замену дефектных элементов и так далее. Тогда можно будет с уверенностью использовать теплообменник для отопления дома и нагрева воды в бане.

Сводка по бустерам

Это очень редкая и дорогая аппаратура. Если намереваетесь её купить, то вас ожидают расходы в диапазоне 40 000 – 90 000 руб. И для бытовых задач это довольно нерентабельное решение.

Сам бустер – это ёмкость с встроенным насосом, обеспечивающим смену вектор потока. Из-за чего в разы увеличивается КПД промывки. Аппараты стойки к любым реагентам.

Наиболее популярные модели представлены ниже:

Бустер	Страна	Производительность (литры в час)	Объём бака (л)	Рабочее давление (бар)	Ценник (руб.)
PIPAL PUMP ELIMINATE 20 V4V	Италия	2600	18	1	38 000
BWT Cillit SEK 28	Германия	2400	20	1,5	57 000
ТМ Aquamax	Италия	5000	30	1,2	53 500

Пошаговая инструкция, как установить теплообменник своими руками

Теплообменник Кузнецова устанавливают вместо одной из секций дымохода – для этого часть дымохода придется демонтировать. Если установлен дымоход из одной длинной трубы, придется вырезать часть дымохода и монтировать конструкцию с помощью сварки.

Способы установки

Теплообменник устанавливают на некотором расстоянии от отопительного агрегата – 200-500 мм, можно и больше.

Если дымоход сборный, то необходимо разобрать часть дымохода. Патрубки теплообменника обрезаются таким образом, чтобы длина конструкции теплообменника была равна демонтированной секции дымохода. Теплообменник монтируется в дымоход, уплотняется при помощи термостойкого герметика. Сверху теплообменник окрашивается термостойкой краской.