Назначение, виды металлических теплообменников
Конструкция и производительность устройств нагрева зависят от назначения, принципа действия, материала теплообменника. Например, невозможно создать компактное изделие из чугуна для парапетного или настенного обогревателя. Поскольку углеродистая сталь или чугун имеют значительную плотность, а значит и массу. Старые чугунные котлы ушли в прошлое. Сегодня популярны малогабаритные отопительные конструкции с легкими деталями и более высоким уровнем передачи энергии. К ним относятся газовые настенные котлы с медным теплообменником.
При производстве термодинамической конструкции используются такие материалы, как: • медь; • сталь разных марок; • чугун; • алюминий; • силумин.
В современных бытовых отопительных котлах большую часть его поверхности занимает теплообменный агрегат. От конструкции и вида материала зависят экономические и экологические параметры котла.
Классифицируются теплообменники в зависимости от назначения по таким типам, как подогревающие, охлаждающие, конденсирующие, испаряющие. По принципу действия блоки бывают регенеративные, рекуперативные и смесительные. Первые два вида имеют общее название «тепловые поверхностные аппараты». Одни из примеров таких агрегатов – радиаторы в автомобилях. Их назначение – участие в работе системы охлаждения двигателя. Нагретая вода контактирует с воздухом через стенки медно-алюминиевых теплообменников.
В смесительных (контактных) машинах два рабочих потока (горячий и холодный) смешиваются друг с другом. Подобный процесс наблюдается в струйных конденсаторах, где распыляемая жидкость использует энергию конденсации. Они проще в изготовлении и характеризуются повышенной теплоемкостью. Но сфера применения ограничена.
Пластинчатый теплообменник или трубчатый. Что выбрать?
Не более чем, 20 лет назад вопрос: что выбрать трубчатый теплообменник или пластинчатый, не существовал. В большинстве случаев применялись трубчатые теплообменники. Но ничего не стоит на месте, со временем появилось более эффективное теплообменное оборудование. На смену трубчатым теплообменникам стали использовать пластинчатые. В этой статье мы постараемся разобраться в преимуществах и недостатках обоих видов теплообменников.
Помогать нам будет инженер – теплотехник Белгородских тепловых сетей, Сизов Петр Михайлович. Он любезно ответил на наши вопросы, и мы надеемся, эти ответы помогут нашим заказчикам с выбором необходимого им теплообменного оборудования.
Как происходит процесс теплообмена в трубчатом теплообменнике?
— Процесс теплообмена в таких теплообменниках происходит через теплопередающую поверхность (поверхность трубок внутри теплообменника). Среды в теплообменнике движутся в двух пространствах: трубном и межтрубном.
Рассмотрим пример нагрева. Греющий теплоноситель от источника тепла поступает в межтрубное пространство, в котором расположены трубки (трубное пространство). По этим трубкам протекает нагреваемый теплоноситель. Греющий теплоноситель проходит по межтрубному пространству и контактирует с поверхностью трубок, таким образом он он нагревает вторую среду. Среды в таком теплообменнике движутся в противотоке.
Как работает пластинчатый теплообменник?
— В пластинчатом теплообменнике среды обмениваются теплом тоже через теплопередающую поверхность, которой являются пластины теплообменника. Пластины при сборке образуют пакет, в котором есть каналы. По этим каналам протекают греющий и нагреваемый теплоносители.
Рассмотрим пример нагрева. Условно, возьмем для примера одну пластину. С одной стороны этой пластины по каналам будет протекать греющий теплоноситель. С другой стороны пластины будет протекать нагреваемый теплоноситель. Среды движутся по каналам в противотоке. При этом происходит теплообмен между теплоносителями – одна среда нагревает другую.
Какие сильные и слабые стороны у трубчатых теплообменников?
Преимущества: — Хорошая стойкость к гидроударам. Высокие рабочие характеристики по давлению.
— Небольшая разница температур греющего и нагреваемого теплоносителя (1С — 2С)
— Менее требовательны к качеству воды. Но это пункт спорный. Т.к. забитый теплообменник резко теряет свои теплопередающие свойства.
Недостатки:
— Низкий коэффициент теплопередачи. Эффективность нагрева хуже, чем у пластинчатых теплообменников.
— Большие габаритные размеры. Большой вес и металлоемкость конструкции. Требует большой площади для монтажа и специального фундамента.
— При ремонте, не редко, проводят заглушку вышедших из строя трубок. Это снижает теплопередающую поверхность теплообменника.
— Течь теплообменника в трубном пространстве можно обнаружить только при разборке теплообменника
— Промывку можно проводить только безразборным способом. Наиболее сложно удалять отложения в трубках теплообменника, особенно когда они сильно зарастают накипью.
— Необходима теплоизоляция конструкции
— Невозможно увеличить поверхность теплопередачи.
Какие преимущества и недостатки у пластинчатых теплообменников?
Преимущества:
— КПД 80-85%.
— Коэффициент теплопередачи выше чем у трубчатых теплообменник. Эффективность нагрева лучше.
— Компактные размеры и патрубки, расположенные с одной стороны. Это экономит место и упрощает монтаж оборудования.
— Есть возможность увеличить мощность теплообменника. Для этого необходимо, просто, добавить пластины.
— Простота сервисного обслуживания. Промывку теплообменника можно проводить разборным способом, силами 2 человек.
— Не требуют теплоизоляции.
— Пониженная загрязняемость. Среды при движении в каналах достигают высокой степени турбулентности. Это уменьшает образование отложений на поверхности пластин.
Недостатки:
— Относительно высокие гидравлические потери.
— Более требовательны к качеству воды, чем трубчатые.
—
Какое оборудование дешевле?
При сравнении оборудования работающего для систем горячего водоснабжения и отопления, т.е. при использовании в системах ЖКХ — трубчатые теплообменники будут незначительно дешевле пластинчатых теплообменников. Но сравнение только закупочной цены – это неверный метод. Необходимо сравнивать цену и стоимость сервисного обслуживания оборудования.
Если сравнивать по схеме: закупочная цена + цена эксплуатации оборудования, то пластинчатые теплообменники, явно выигрывают.
Какие теплообменники проще обслуживать?
В силу своей разборной конструкции, пластинчатые теплообменники проще обслуживать. А эффективность промывки выше, потому что при разборной промывке мы можем визуально проконтролировать качество проведенных работ. Все детали в разборных теплообменниках легко заменить при ремонте.
Какой срок эксплуатации?
Правильнее будет использовать термин «межремонтный период», т.е. срок до проведения капитального ремонта. По заявлениям производителей, у трубчатых теплообменников этот период 5-10 лет. У пластинчатых 10-15 лет.
Какие выводы необходимо сделать?
На данный момент идут разработки трубчатых теплообменников, которые по своим характеристикам приближены к пластинчатым. Но цена и стоимость обслуживания такого оборудования пока не известны. Поэтому, для работы в системах ЖКХ, паровых системах, промышленности наилучшим выбором будет разборный пластинчатый теплообменник. Если ваше оборудование будет работать в условиях повышенного давления (более 25 бар) или повышенной температуры (более 200С), то необходимо обратить внимание на трубчатые теплообменники.
Тепловые аппараты из стальных и медных сплавов
Поскольку серийное производство бытовых приборов сосредоточено на изготовлении теплообменников из черного металла, то газовые котлы с медным теплообменником считаются престижным товаром. Медь обладает высокими теплопередающими характеристиками. Поэтому для обогрева большого дома можно использовать небольшие котлы с незначительным количеством теплоносителя. В итоге аппараты получаются очень компактными.
Важно! Нередко покупатели интересуются, какой выбрать теплообменник – стальной или медный. Исходить нужно из физико-химических свойств черного и цветного металлов. Удельная теплоемкость меди ниже, чем стали.
То есть для нагрева равного количества вещества, меди нужно передать меньше теплоты, чем стали. Соответственно инерция отопительной системы, где стоит стальной теплопередающий агрегат больше. Автоматика котла, работающая с медным теплопередающим блоком, быстрее реагирует на повышение температуры теплоносителя. В итоге это приводит к экономии топлива. Еще большая реакция системы отопления на нагрев происходит при работе насоса. Кроме этого, он обеспечивает улучшение циркуляции даже при нарушенных уклонах труб и предотвращает закипание воды.
Сравнивая медные теплообменники для котлов со стальными, можно сказать, что последние более пластичны. Этот фактор важен, поскольку происходит постоянный процесс взаимодействия с открытым огнем. Вследствие этого развиваются тепловые напряжения металла и появляются трещины. Сталь более прочна в этом отношении и выдерживает большое количество циклов: нагрев – остывание.
Заметка! К недостаткам стали, кроме инерционности, повышенной удельной теплоемкости, относят: • подверженность коррозии; • увеличенный объем поверхности калорифера; • большое количество теплоносителя; • значительную массу отопительных приборов.
Стальной теплообменник
Широко распространенный вариант благодаря простоте изготовления и доступной цене. Теплообменники из стальных сплавов пластичны, достаточно прочны и устойчивы к механическим нагрузкам. При этом срок службы их невелик из-за часто возникающих коррозийных процессов, а эксплуатация требует повышенного расхода топлива для нагрева теплоносителя и поддержания штатного температурного режима.
Газовая колонка с медным теплообменником
Газовая колонка имеет в своем составе теплообменник, вода в котором нагревается горелкой. Медь с высоким коэффициентом теплоотдачи быстро передает тепло воде, которая расходуется на принятие ванны. Медные изделия работают тем лучше, чем меньше в сплаве разных примесей. При их наличии стенки емкости нагреваются неравномерно, что вызывает их быстрое прогорание. Иногда, чтобы понизить цену медного теплообменника, уменьшают толщину стенок и диаметр трубок. Масса пустого аппарата составляет до 3,5 кг.
Теплообменный блок изготавливается в виде трубки. В нижней части она имеет форму змейки с ребрами. Вокруг устанавливается металлический лист, а поверх его спиральная труба. Кроме меди, применяют оцинкованную и нержавеющую сталь. Какой теплообменник лучше, медный или из нержавейки, говорит сам факт стоимости аппарата. Медь дороже стального сплава в 20 раз. Но она лучше передает тепло и в эксплуатации экономнее. Нержавеющая сталь долговечнее.
Важно! Прежде чем купить газовую колонку с медным телообменником, следует изучить её технические параметры. Хорошая вещь не будет стоить дешево. Медь при контакте с водой сильно окисляется. Особенно этот процесс наблюдается в месте подачи холодной воды. Там образуется конденсат. Повышенная влажность разъедает стенку трубки, и появляются свищи. На тонких стенках они образуются быстро. Качественные товары отслужат положенный срок.
Самый эффективный теплообменник
Выводы, какой теплообменник лучше и эффективнее делайте сами, мое мнение пластинчатый – цена, долговечность, экономичность, высокий КПД, простота транспортировки и установки на существующем объекте.
Далее – история пластинчатого теплообменника с древних времен до наших дней.
Если у Вас еще остались вопросы звоните +7 918-581-18-61 Юрий Олегович, расскажем все о поставляемых нами теплообменниках, рассчитаем мощность, подберем и доставим на объект в течение 7 календарных дней. Выполним монтаж и дадим трехлетнюю гарантию на выполненные нами работы. Монтаж тоже будет не долгим, все зависит от ваших условий.
Ремонт медных теплообменников
В ходе эксплуатации испарителей появляются разные виды повреждений: • разрывы трубок на точке подачи воды и её выхода; • нарушение целостности в результате гидроударов; • вмятины, свищи; • нарушение герметичности резьбовых соединений.
Перед началом ремонта выполняется поиск микротрещин, которые визуально не заметны. Скрытые дефекты можно обнаружить только методом опрессовки. Свищи устраняются пайкой медного теплообменника с помощью высокотемпературных припоев.
Для работы понадобится паяльник, флюс и припой. Сначала наносится флюс, который очищает поверхность от окислившихся частиц. Также он помогает равномерно распределяться припою. В качестве флюса используют пасту, которая содержит медь. Если её нет, то можно взять канифоль и даже таблетку аспирина.
Заметка! При заваривании медного теплообменника нужно, чтобы припой плавился от трубки, а не от контакта с паяльником.
Слой припоя в месте повреждения наращивается постепенно, пока его толщина не достигнет 1-2 мм. Пламя горелки должно быть средним, иначе можно еще больше повредить испаритель. После окончания пайки нужно снять остатки флюса. Потому что кислота, содержащаяся в его составе, разъедает медь.
Какой материал предпочтительнее: нержавеющая сталь или алюминиевый сплав
Чего ожидаете вы и ваши клиенты от современного котла?
- Высокой прочности как гарантии долговечности.
- Наивысшей теплопередачи для оптимального использования энергоресурсов.
- Высокой эксплуатационной безопасности и надежности.
- Экологичности.
Одним из ключевых моментов в процессе разработки газовых конденсационных котлов является выбор материала, который будет обладать наибольшим числом преимуществ для изготовления теплообменника. По мнению инженеров-конструкторов из группы компаний Bosch, алюминиевый сплав обладает самыми подходящими свойствами для использования в конденсационных котлах.
Рассмотрим их подробнее.
Теплопроводность
Коэффициент теплопередачи для алюминия в 7 раз больше, чем для нержавеющей стали. Это значит, что алюминий лучше передает тепло. Применяя его, можно уменьшить поверхность теплообмена и при этом передавать контуру отопления ту же мощность.
Легкий сплав
Благодаря низкой плотности алюминий в 3 раза легче нержавеющей стали, что дает возможность конструировать легкие и компактные котлы. Это позволяет снизить нагрузку на стены и пол и предоставляет больше места для компоновки в котельной.
Природная коррозионная стойкость алюминия
В нержавеющих сталях содержится большой процент хрома. При его окислении образуется оксидный слой, очень тонкий (130 ангстрем) и непроницаемый, который защищает поверхность от коррозии. Алюминий так же реагирует на окислительное воздействие, только оксид алюминия формирует более толстый слой, чем оксид хрома.
Однако легирующего хрома может не хватать для образования защитного слоя, и тогда нержавеющая сталь подвергается коррозии. Это может произойти по нескольким причинам: контакт обычной углеродистой стали с нержавеющей (сервисные работы должны производиться только инструментом из нержавейки), изменение структуры в сварном шве, пластическая деформация и пр. Ни одна из перечисленных причин не может понизить коррозионную стойкость алюминия, так как защитная пленка Al2O3 образуется с основным элементом сплава, а не с легирующей добавкой. В случае повреждения она быстрее и легче восстанавливается, продолжая защищать металл от коррозии.
Механическая прочность при цикличных нагрузках
Усталость металла — это постепенное накопление повреждений под действием переменных нагрузок в виде расширений/сжатий в процессе нагрева/остывания, что приводит к изменению свойств, образованию и развитию трещин. Способность алюминиевых сплавов воспринимать эти повторные и знакопеременные напряжения без разрушения позволяет эксплуатировать котел с большими разницами температур между подающей и обратной линией, что особенно важно при «холодных стартах»
Экологичность
Теплообменники из алюминиевых сплавов не содержат тяжелых, редкоземельных металлов (Ni, Ti, Mo, Pb), которыми легируются нержавеющие стали. Поэтому конденсат, образующийся в алюминиевом теплообменнике, менее агрессивный.
Гидравлическое сопротивление
Из-за большего водонаполнения алюминиевые теплообменники имеют меньшее гидравлическое сопротивление. За счет этого они более устойчивы гидравлически и не предъявляют требований к объему циркулирующего теплоносителя, что в свою очередь упрощает подбор циркуляционных насосов.
