Теплообменник для системы отопления: Теплообменник для системы отопления. 5 советов для правильного подбора. 

Пожалуйста, поделитесь / добавьте в закладки:

Дизайн

Мы ежедневно используем теплообменник в наших домах, на рабочих местах и ​​транспортных средствах, даже не подозревая об этом. Теплообменник — это теплообменное устройство, которое обменивается (отсюда и их название) тепловой энергией от одного источника и передает ее другому при разных температурах.В большинстве конструкций теплообменников жидкости или газы, используемые для передачи тепла, разделяются и не смешиваются.

Теплообменники существуют уже много лет и широко используются в обычных системах теплового отопления, а также в системах кондиционирования воздуха, холодильном оборудовании, транспортных средствах и в настоящее время в системах рекуперации тепла с использованием возобновляемых источников энергии, таких как солнечные тепловые панели, геотермальные и другие типы. применения солнечной тепловой энергии.

Типичная конструкция теплообменника

Но наиболее распространенные типы теплообменников, которые мы видим и используем ежедневно, включают в себя радиаторы центрального отопления дома, автомобильные радиаторы, конденсаторы и испарители ОВК, задние коробки для пожарных печей, масляные радиаторы и т. Д.Использование теплообменников в нашей повседневной жизни, большой или малой, бесконечно. Если вы когда-либо использовали бутылку с горячей водой в постели для обогрева ног, то вы слишком хорошо знаете преимущества, которые могут принести теплообменники.

Итак, , как работает теплообменник . Теплообменник представляет собой пассивную гофрированную металлическую массу, которая передает тепло от одной рабочей жидкости к другой. Первичная тепловая жидкость поглощает тепло от источника тепла — горелки, бойлера или другого типа нагревательного устройства, а затем циркулирует через теплообменник, где тепло отводится из жидкости (воды или газа), и передается на вторичную. жидкость, опять-таки либо вода, либо газ, который циркулирует и рассеивает тепло (теплоотвод) в дом или атмосферу.

Солнечные водонагревательные системы используют технологию теплообменника для передачи тепла от солнца в циркулирующую воду со многими косвенными системами, использующими теплообменник, который отделен от солнечных коллекторов. Эти типы теплообменников обычно известны как теплообменники вода-вода, так как как первичная, так и вторичная жидкости представляют собой воду, возможно, смешанную с антикоррозионной добавкой.

Теплообменники с воздушным охлаждением — это еще один тип конструкции теплообменника, используемый в автомобильной промышленности для охлаждения двигателя.Первичной жидкостью является вода, но вторичной жидкостью является воздух, продуваемый через ребра теплообменника вентиляторами. Обычно в теплообменнике нет движущихся частей, только внешние вентиляторы для циркуляции воздуха.

Существует множество конструкций теплообменников на выбор: трубчатые, двухтрубные, плоские, спиральные и змеевиковые. Выбор одного типа конструкции теплообменника зависит от многих факторов. Большинство теплообменников классифицируются в соответствии с их конструкцией, процессом теплообмена и компактностью их поверхности.Это площадь поверхности, на которую тепло рассеивается или передается слишком сильно по сравнению с физическим размером.

Некоторые из наиболее распространенных конструкций теплообменников и их типы включают в себя:

Типы теплообменников

• 1. Конструкция трубчатых теплообменников и теплообменников
• 2. Конструкция с двойными трубопроводами или шпильками
• 3. Плоская пластина и ребристые теплообменники
• 4. Радиаторы и солнечные теплообменники
• 5. Спиральные теплообменники
• 6.Воздухоохладители, холодильные машины и конденсаторы
• 7. Мокрые градирни

Конструкция трубчатого теплообменника

Трубчатый теплообменник — безусловно, самая простая конструкция. Первичная жидкость циркулирует через прямые или концентрические трубы в форме U-образной конструкции трубы. Эти первичные трубки заключены в наружную герметичную трубку, которая циркулирует вторичную жидкость. Их обычное применение для небольших передач тепла вода-вода. Преимущество этого типа конструкции заключается в гибкости, поскольку трубчатые теплообменники могут быть добавлены или удалены по мере необходимости.Также любое количество теплообменников может быть соединено последовательно или параллельно.

Конструкция трубчатого теплообменника — двойной поток

Несмотря на простоту и простоту, эффективность этого типа конструкции однопроходного теплообменника может быть увеличена путем направления потока вторичной жидкости в направлении, противоположном направлению первичный поток для улучшения поглощения тепла и эффективности. Если и первичная, и вторичная жидкости текут в одном и том же направлении, это называется «параллельным потоком».Если первичная и вторичная жидкости текут в противоположном направлении, то это называется «противотоком». Кроме того, внутренняя тепловая труба может быть либо единственной неизолированной трубой, снабженной ребрами для увеличения площади поверхности, либо в виде многотрубной конструкции, как показано на рисунке.

Плоские пластинчатые теплообменники

Плоские пластинчатые теплообменники — еще один распространенный тип конструкции, который предлагает улучшенную эффективность для своих размеров по сравнению с трубчатыми конструкциями. Плоские теплообменники обеспечивают относительно большую поверхность теплопередачи в небольшом пространстве и могут также работать при более высоких давлениях жидкости.

Плоские пластинчатые теплообменники изготовлены из множества тонких металлических пластин, соединенных или «сложенных» вместе, с небольшим пространством между каждой пластиной, чтобы позволить теплопередающей жидкости циркулировать, отводя тепло от пластин по мере их протекания. Эти отдельные пластины обычно соединяются друг с другом с помощью резиновых прокладок и уплотнений, чтобы предотвратить утечку и направить тепловые жидкости через каналы с альтернативным потоком. Другие типы плоских теплообменников включают паяные или сварные конструкции теплообменников.

Поскольку площадь поверхности пластинчатых теплообменников велика, это обеспечивает максимальный контакт между двумя теплоносителями, что обеспечивает эффективный и эффективный теплообмен. Точно так же, как трубчатая конструкция, поток жидкости двух теплоносителей может быть либо параллельным потоком, либо направлением противотока, при этом каждая пластина имеет четыре отверстия, служащие в качестве входного и выходного отверстий.

Пластинчато-ребристые и трубчато-ребристые теплообменники являются еще одним распространенным типом теплообменников, относящихся к категории «компактные теплообменники».Они состоят из металлических, ребристых или жалюзийных металлических ребер, которые приклеены, спаяны или приварены к серии плоских, круглых или прямоугольных трубок. Этот тип конструкции теплообменника использовался в течение многих лет либо с отдельными ребрами, либо с пластинчатыми ребрами в самых разных областях применения.

Компактные теплообменники получили свое название благодаря тому факту, что их конструкция приводит к очень большой тепловой поверхности при небольших физических размерах. Компактность теплообменника обычно дается в очень большом количестве м ² / м ³ физического размера, с плотностями поверхности более 1000 м ² / м ³ в настоящее время.

Компактные теплообменники обычно используются в качестве автомобильных радиаторов водяного и масляного охлаждения, систем кондиционирования воздуха, регенерации технологического и отработанного тепла, преобразования тепловой энергии океана, геотермальных и солнечных тепловых систем. Фактически везде, где есть необходимость в небольшом компактном, легком, экономичном и экономичном теплообменнике.

Мы видели, что теплообменник представляет собой механическое устройство, которое используется для передачи тепловой энергии между двумя или более циркулирующими жидкостями при разных температурах.Эти жидкости обычно разделяются какой-либо формой поверхности теплопередачи, будь то трубчатая, плоская пластина или оребренная конструкция. Теплообменники обычно классифицируются в зависимости от их конструкции, компактности и способа передачи тепла от первичной к вторичной жидкости.

Теплообменники обычно используются в транспортном, вентиляционном, технологическом, энергетическом, рекуперативном, возобновляемом и других областях. Типы теплообменников, обычно используемые в нашей повседневной жизни, включают автомобильные радиаторы и охладители, кондиционеры и геотермальные испарители и конденсаторы.

Технология и дизайн теплообменников прошли долгий путь за последние годы, и наблюдается постоянный прогресс в уменьшении размеров и компактности радиаторов, чиллеров, испарителей и конденсаторов для повышения эффективности преобразования.

Компактные теплообменники становятся все более стандартными и имеют большую удельную площадь поверхности теплообмена на единицу объема, превышающую 800 м ² / м ³ . В компактных конструкциях теплообменника две жидкости обычно движутся перпендикулярно друг другу, при этом первичная жидкость представляет собой жидкость, а вторичная жидкость представляет собой нагнетаемый воздух.Конечно, тепловые характеристики любого теплообменника со временем будут ухудшаться в результате накопления грязи и отложений на поверхностях теплопередачи, поскольку слой отложений представляет дополнительное сопротивление передаче тепла.

теплообменник

Теплообменник — это устройство, созданное для эффективной передачи тепла от одной жидкости к другой, независимо от того, разделены ли жидкости сплошной стенкой, чтобы они никогда не смешивались, или жидкости непосредственно контактируют. ^[1] Они широко используются на нефтеперерабатывающих, химических, нефтехимических, перерабатывающих, холодильных, электростанциях, в системах кондиционирования воздуха и обогрева помещений. Одним из распространенных примеров теплообменника является радиатор в автомобиле, в котором горячая охлаждающая жидкость для двигателя, такая как антифриз , передает тепло воздуху, проходящему через радиатор.

Дополнительные рекомендуемые знания

Расположение потока

Теплообменники могут быть классифицированы в соответствии с их расположением потока. В теплообменниках с параллельным потоком две жидкости входят в теплообменник на одном конце и движутся параллельно друг другу на другую сторону. В противоточных теплообменниках текучие среды поступают в теплообменник с противоположных концов.Противоточная конструкция наиболее эффективна в том смысле, что она может передавать наибольшее количество тепла. Смотрите обмен противотока. В теплообменнике с поперечным потоком жидкости проходят приблизительно перпендикулярно друг другу через теплообменник.

Для эффективности теплообменники предназначены для максимизации площади поверхности стенки между двумя жидкостями, одновременно минимизируя сопротивление потоку жидкости через теплообменник. На производительность теплообменника также может влиять добавление ребер или гофр в одном или обоих направлениях, которые увеличивают площадь поверхности и могут направлять поток жидкости или вызывать турбулентность.

Температура движения по поверхности теплопередачи зависит от положения, но можно определить подходящую среднюю температуру. В большинстве простых систем это логарифмическая разница средних температур (LMTD). Иногда непосредственное знание LMTD недоступно, и используется метод NTU.

Типы теплообменников

Кожухотрубный теплообменник

Основная статья: Кожухотрубный теплообменник

Типичным теплообменником, обычно для приложений с высоким давлением, является кожухотрубный теплообменник, состоящий из серии трубок, через которые проходит одна из жидкостей.Вторая жидкость проходит по трубам, которые должны быть нагреты или охлаждены. Набор трубок называется трубным пучком и может состоять из нескольких типов трубок: простые, с оребрением с продольными ребрами и т. Д.

Пластинчатый теплообменник

Основная статья: Пластинчатый теплообменник

Другой тип теплообменника — пластинчатый теплообменник. Одна состоит из нескольких тонких, слегка разделенных пластин, которые имеют очень большие площади поверхности и каналы для потока жидкости для передачи тепла.Такое расположение пластинчатых пластин может быть более эффективным в данном пространстве, чем кожухотрубный теплообменник. Достижения в технологии прокладок и пайки сделали пластинчатый теплообменник все более практичным. В системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха большие теплообменники этого типа называются пластинчатыми и рамными , ; при использовании в разомкнутых контурах эти теплообменники обычно бывают с прокладкой, что позволяет проводить периодическую разборку, очистку и проверку. Существует много типов пластинчатых теплообменников с постоянной связью, таких как пластины с погружной и вакуумной пайкой, и они часто указываются для применений с замкнутым контуром, таких как охлаждение.Пластинчатые теплообменники также различаются по типам используемых пластин и конфигурации этих пластин. Некоторые пластины могут быть отштампованы с помощью «шеврона» или других рисунков, где другие могут иметь обработанные ребра и / или канавки.

Регенеративный теплообменник

Третий тип теплообменника — это рекуперативный теплообменник. При этом тепло от процесса используется для нагревания жидкостей, которые будут использоваться в процессе, и один и тот же тип жидкости используется с обеих сторон теплообменника.(Эти теплообменники могут быть пластинчатого и каркасного типа или конструкции кожуха и трубы.) Эти теплообменники используются только для газов, а не для жидкостей. Основным фактором для этого является теплоемкость матрицы теплопередачи. Также см .: Противоточная биржа, Регенератор, Экономайзер

Адиабатический колесный теплообменник

В теплообменнике четвертого типа используется промежуточное хранилище жидкости или твердого вещества для удержания тепла, которое затем перемещается на другую сторону теплообменника для выпуска.Два примера этого — адиабатические колеса, которые состоят из большого колеса с тонкой резьбой, вращающейся в горячей и холодной жидкости, и жидкостных теплообменников. Этот тип используется, когда допустимо небольшое смешивание между двумя потоками. Смотрите также: Подогреватель воздуха.

Жидкостные теплообменники

Это теплообменник с газом, проходящим вверх через поток жидкости (часто воды), и жидкость затем забирается в другое место перед охлаждением. Это обычно используется для охлаждения газов, а также для удаления определенных примесей, что позволяет решить две проблемы одновременно.Он широко используется в эспрессо-машинах в качестве энергосберегающего метода охлаждения перегретой воды, используемой для экстракции эспрессо.

Динамический скребковый теплообменник

Другой тип теплообменника называется динамическим теплообменником или теплообменником со скребковой поверхностью. Это в основном используется для нагревания или охлаждения продуктов с высокой вязкостью, процессов кристаллизации, испарения и сильного загрязнения. Длительное время работы достигается благодаря постоянному царапанию поверхности, что позволяет избежать загрязнения и достичь устойчивой скорости теплопередачи во время процесса.

Фазообменные теплообменники

В дополнение к нагреву или охлаждению жидкостей только в одной фазе теплообменники могут использоваться либо для нагрева жидкости, чтобы испарить (или кипятить) ее, либо в качестве конденсаторов для охлаждения пара и конденсации его в жидкость. На химических заводах и нефтеперерабатывающих заводах ребойлеры, используемые для нагрева поступающего сырья для ректификационных колонн, часто являются теплообменниками. ^{[2] [3]}

Установки дистилляции обычно используют конденсаторы для конденсации паров дистиллята обратно в жидкость.

Электростанции с паровыми турбинами обычно используют теплообменники для кипячения воды в пар. Теплообменники или аналогичные устройства для производства пара из воды часто называют котлами.

На атомных электростанциях, называемых реакторами с водой под давлением, специальные большие теплообменники, которые передают тепло от первичной (реакторная установка) системы к вторичной (паровая установка) системе, производя пар из воды в процессе, называются парогенераторами. Все работающие на ископаемом топливе и атомные электростанции, использующие паровые турбины, имеют поверхностные конденсаторы для преобразования отработанного пара из турбин в конденсат (воду) для повторного использования. ^{[4] [5]}

Для сохранения энергии и охлаждающей способности на химических и других установках могут использоваться регенеративные теплообменники для передачи тепла от одного потока, который необходимо охлаждать, к другому потоку, который необходимо нагреть, например, охлаждение дистиллята и предварительная подача в ребойлер. -обогрев.

Этот термин также может относиться к теплообменникам, которые содержат материал в своей структуре, который имеет изменение фазы. Обычно это фаза из твердого вещества в жидкое из-за небольшой разницы объемов между этими состояниями.Это изменение фазы эффективно действует как буфер, потому что происходит при постоянной температуре, но все же позволяет теплообменнику принимать дополнительное тепло. Одним из примеров, где это было исследовано, является использование в авиационной электронике большой мощности.

HVAC воздушные змеевики

Одно из самых широких применений теплообменников — для кондиционирования зданий и транспортных средств. Этот класс теплообменников обычно называют воздушных катушек или просто теплообменников из-за их часто змеевидных внутренних трубок.Катушки HVAC типа «воздух-воздух» или «воздух-жидкость» обычно имеют модифицированную систему поперечного потока. В транспортных средствах теплообменники часто называют нагревательными сердечниками.

На жидкостной стороне этих теплообменников общими жидкостями являются вода, водно-гликолевый раствор, пар или хладагент. Для нагревательных змеевиков горячая вода и пар являются наиболее распространенными, и эта нагретая жидкость подается, например, из котлов. Для охлаждающих змеевиков чаще всего используются охлажденная вода и хладагент.Охлажденная вода подается из чиллера, который потенциально расположен очень далеко, но хладагент должен поступать из ближайшего конденсационного блока. Когда используется хладагент, охлаждающий змеевик является испарителем в холодильном цикле с компрессией пара. Катушки HVAC, которые используют это прямое расширение хладагентов, обычно называются катушками DX .

На воздушной стороне змеевиков HVAC существует значительная разница между теми, которые используются для отопления, и теми, которые используются для охлаждения. Из-за психрометрии в охлаждаемом воздухе часто конденсируется влага, за исключением крайне сухих воздушных потоков.Нагрев воздуха увеличивает способность воздушного потока удерживать воду. Таким образом, нагревательные катушки не должны учитывать конденсацию влаги на их воздушной стороне, но охлаждающие катушки должны быть надлежащим образом спроектированы и настроены на , чтобы выдерживать их конкретные скрытые (влажность), а также чувствительные (охлаждающие) нагрузки. Вода, которая удаляется, называется , конденсат .

Для многих климатических условий водяные или паровые змеевики HVAC могут подвергаться воздействию условий замерзания. Поскольку при замерзании вода расширяется, эти несколько дорогие и трудно заменяемые тонкостенные теплообменники могут быть легко повреждены или разрушены всего лишь одним замерзанием.Таким образом, защита катушек от замерзания является основной заботой разработчиков, установщиков и операторов систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Введение углублений (1/08/1934), размещенных внутри ребер теплообмена, контролирует конденсацию, позволяя молекулам воды оставаться в охлажденном воздухе. Это изобретение допускало охлаждение без обледенения охлаждающего механизма. Изобретатель Джон К. Рэйсли Патент № 2 046 968, выданный 7 июля 1936 г. ^[6]

Теплообменники в печах прямого сгорания, типичные для многих домов, не являются «змеевиками».Вместо этого они представляют собой газо-воздушные теплообменники, которые обычно изготавливаются из штампованного стального листового металла. Продукты сгорания проходят с одной стороны этих теплообменников, а воздух — с другой. Поэтому потрескавшийся теплообменник представляет собой опасную ситуацию, требующую немедленного внимания, поскольку продукты сгорания могут попасть в здание.

Выбор

Из-за множества переменных, выбор оптимальных теплообменников является сложной задачей.Возможны ручные вычисления, но обычно требуется много итераций. Таким образом, теплообменники чаще всего выбираются с помощью компьютерных программ либо системными проектировщиками, которые обычно являются инженерами, либо поставщиками оборудования.

Мониторинг и обслуживание

Мониторинг состояния труб теплообменника может проводиться с помощью неразрушающих методов, таких как вихретоковые испытания.

Механика потока воды и отложений часто моделируется вычислительной гидродинамикой или CFD.Загрязнение является серьезной проблемой в некоторых теплообменниках. Речная вода часто используется в качестве охлаждающей воды, что приводит к попаданию биологического мусора в теплообменник и слои здания, что снижает коэффициент теплопередачи. Другой распространенной проблемой является окалина, которая состоит из осажденных слоев химических веществ, таких как карбонат кальция или карбонат магния.

Пластинчатые теплообменники необходимо периодически разбирать и чистить. Трубчатые теплообменники можно очищать такими методами, как кислотная очистка, пескоструйная обработка, струи воды под высоким давлением, очистка от пуль или буровые штанги.

В крупных системах охлаждения воды для теплообменников обработка воды, такая как очистка, добавление химикатов и испытания, используется для минимизации загрязнения теплообменного оборудования. Другая водоподготовка также используется в паровых системах для электростанций и т. Д., Чтобы минимизировать загрязнение и коррозию теплообменника и другого оборудования.

Различные компании начали использовать технологию колебаний на водной основе, чтобы предотвратить биообрастание. Без использования химикатов этот тип технологии помог обеспечить снижение падения давления в теплообменниках.

Теплообменники в природе

Теплообменники встречаются естественным образом в системе циркуляции китов. Артерии к коже, несущей теплую кровь, переплетаются с венами от кожи, несущей холодную кровь, заставляя теплую артериальную кровь обмениваться теплом с холодной венозной кровью. Это уменьшает общую потерю тепла китом при погружении в холодной воде. Теплообменники также присутствуют в языке усатых китов, так как большие объемы воды текут через их рты [1] [2].Болотные птицы используют аналогичную систему для ограничения потерь тепла от тела через ноги в воду.

У видов, имеющих внешние яички (таких как люди), артерия яичка окружена сеткой вен, называемых пампинообразным сплетением. Это охлаждает кровь, направляющуюся к яичку, в то же время нагревая возвращающуюся кровь.

См. Также

• Reboiler
• Парогенератор (атомная энергетика)
• Тепловой насос
• Архитектурное проектирование
• Машиностроение
• Вентиляция с рекуперацией тепла
• Журнал средней разницы температур (LMTD)

Рекомендации

1. ^ Садик Какач и Хонгтан Лю (2002). Патент 2 046 968 John C Raisley