Пластинчатый теплообменник для горячего водоснабжения

Обеспечить себе в доме или квартире горячее водоснабжение можно многими способами и непосредственный нагрев, например прямоточным электронагревателем или бойлером – не самый эффективный способ. В простоте и надежности отлично зарекомендовал себя пластинчатый теплообменник ГВС. Если есть источник тепла, например автономное отопление или даже централизованное, то тепло для нагрева воды вполне разумно взять от них, не тратя дорогостоящее электричество для этих целей.

Устройство и принцип работы

Пластинчатый теплообменник (ПТО) обеспечивает переход тепла от нагретого теплоносителя холодному, при этом не перемешивая их, развязывая два контура между собой. Теплоносителем может быть пар, вода или масло. В случае с горячим водоснабжением чаще источником тепла является теплоноситель системы отопления, а нагреваемой средой – холодная вода.

Конструктивно теплообменник представляет собой группу гофрированных пластин, собранных параллельно друг другу. Между ними образуются каналы, по которым течет теплоноситель и нагреваемая среда, притом послойно они чередуются между собой, не перемешиваясь при этом. За счет чередования слоев, по которым текут жидкости обоих контуров, увеличивается площадь теплообмена.

Схема работы теплообменника

Гофрирование чаше выполняется в виде волн, притом ориентированных так, чтобы каналы одного контура располагались под углом к каналам второго контура.

Подключение входов и выходов делаются так, чтобы жидкости текли навстречу друг другу.

Поверхность и материал пластин подбирается исходя из требуемой мощности теплообмена, вида теплоносителя. В особенно эффективных и продуманных теплообменниках поверхность формуется для возбуждения завихрений возле поверхности пластины, повышая теплообмен, не создавая сильного сопротивления общему току.

Теплообменник включается между двумя контурами:

1. Последовательно к системе отопления или параллельно с наличием регулирующей арматуры.
2. К входу от холодного водопровода и выходом к потребителю ГВС.

Холодная вода, протекая через теплообменник нагревается за счет тепла от системы отопления до требуемой температуры и подается на кран потребителя.

Основные характеристики пластинчатого теплообменника:

• Мощность, Вт;
• Максимальная температура теплоносителя, оС;
• Пропускная способность, производительность, литры/час;
• Коэффициент гидравлического сопротивления.

Мощность зависит от общей площади теплообмена, перепада температур в обоих контурах между входов и выходом и даже от числа пластин.

Максимальная температура задается подбором материалов и способом соединения пластин и корпуса теплообменника.

Пропускная способность повышается с увеличением числа пластин, так как они подключаются фактически параллельно, то каждая новая пара пластин добавляет дополнительный канал для тока жидкости.

Коэффициент гидравлического сопротивления важен при расчете нагрузки на систему отопления, где от этого зависит выбор циркуляционного насоса, немаловажен и для других источников тепла. Зависит от типа гофрирования пластин и размера сечения каналов и их количества.

Для наиболее востребованных случаев, каким является обеспечение горячей водой частного хозяйства, дома или квартиры производятся готовые теплообменники с постоянными характеристиками.

Расчет

Выбор подходящего теплообменника сложно выполнить, оперируя только одной лишь его мощностью или пропускной способностью. Эффективность подготовки ГВС зависит и от состояния теплоносителя в первом контуре и во втором, от материала и конструкции теплообменника, скорости и массовой части теплоносителя, проходящего в единицу времени через пластинчатый теплообменник. Однако, естественно следует предварительно выполнить расчет, позволяющий прийти к определенному сочетанию мощности и производительности для выбора подходящей модели.

Базовые данные необходимые для расчета:

• Тип среды в обоих контурах (вода-вода, масло-вода, пар-вода)
• Температура теплоносителя в системы отопления;
• Максимально допустимое снижение температуры теплоносителя после прохождения теплообменника;
• Начальная температура воды, используемой для ГВС;
• Требуема температура ГВС;
• Целевой расход горячей воды в режиме максимального потребления.

Кроме этого в формулах для расчета задействована удельная теплоемкость жидкости в обоих контурах. Для ГВС используется табличное значение для начальной температуры воды, чаще +20оС, равное 4,182 кДж/кг*К. Для теплоносителя следует отдельно находить значение удельной теплоемкости, если в его составе имеется антифриз или другие присадки для улучшения его качеств. Аналогично для централизованного отопления берется приблизительное значение или фактическое на основании данных теплокоммунэнерго.

Целевой расход определяется количеством пользователей для горячей воды и количеством устройств (краны, посудомоечная и стиральная машинка, душ), где она будет использована. Согласно требованиям СНиП 2.04.01-85 необходимы следующие значения расхода горячей воды:

• для раковины – 40 л/ч;
• ванная – 200 л/ч;
• душевая – 165 л/ч.

Значение для раковины умножается на количество устройств в доме, которые могут использоваться параллельно, и складывается со значением для ванны или душевой в зависимости от того, что именно используется. Для посудомоечной и стиральной машинки значения берутся из паспорта и инструкции и только при условии, что они поддерживают использование горячей воды.

Второе базовое значение – это мощности теплообменника. Рассчитывается исходя из полученного значения расхода жидкости и разницы температур воды на входе в теплообменник и на выходе.

где m – расход воды, С – удельная теплоемкость, Δt – разница температур воды на входе и выходе ПТО.

Для получения массового расхода воды следует расход, выраженный в л/ч умножить на плотность воды 1000 кг/м3.

КПД теплообменников оценивается на уровне 80-85%, и многое зависит от конструкции самого оборудования, так что полученное значение следует разделить на 0,8(5).

С другой стороны ограничением по мощности будет расчет, выполненный со стороны первого контура с теплоносителем, где, используя уже разницу допустимых температур для системы отопления, получаем максимально допустимый забор мощности. Конечный результат будет компромиссом между двумя полученными значениями.

Если забора мощности для нагрева нужного количества горячей воды не хватает, то разумнее использовать две ступени подогрева и, соответственно, два теплообменника. Мощность распределяется между ними поровну от требуемого расчета. Одна ступень выполняет предварительный нагрев, используя в качестве источника тепла обратку отопления с пониженной температурой. Второй ПТО уже нагревает окончательно воду за счет горячей воды с подачи отопления.

Схема обвязки

Подключают теплообменник к системе отопления несколькими способами. Самый простой вариант с параллельным включением и наличием регулировочного клапана, работающего от термоголовки.

Обязательными являются запорные шаровые вентили на всех выводах теплообменника, чтобы иметь возможность полностью перекрыть доступ жидкости и обеспечить условия для демонтажа оборудования. Регулировкой мощности и, соответственно, нагревом горячей воды должен заниматься клапан с управлением от термоголовки. Клапан устанавливается на подводящую трубу от отопления, а датчик температуры на выход контура ГВС.

При цикличной организации ГВС с наличием накопительной емкости устанавливается дополнительно тройник на входе нагреваемого контура для включения холодной водопроводной воды и обратки по ГВС. Избежать ненужного тока в обратном направлении в ветке горячей и холодной воды не даст обратный клапан.

Недостатком этой схемы является сильно завышенная нагрузка на систему отопления и неэффективный нагрев воды во втором контуре при большем перепаде температур.

Гораздо продуктивнее и надежнее работает схема с двумя теплообменниками, двухступенчатая.

1 – пластинчатый теплообменник; 2 – регулятор температуры прямого действия: 2.1 – клапан; 2.2 – термостатический элемент; 3 – циркуляционный насос ГВС; 4 – счетчик горячей воды; 5 – электро-контактный манометр (защита от «сухого хода»)

Идея заключается в использовании двух теплообменников. В первой ступени используется с одной стороны обратка системы отопления, а с другой холодная вода из водопровода. Это дает предварительный нагрев примерно на 1/3 или половину от необходимой температуры, при этом не страдает обогрев дома. Включение контура выполняется последовательно с байпасом, на котором уже закреплен игловой вентиль, с помощью которого регулируется объем теплоносителя.

Второй ПТО, вторая ступень, подключаемая параллельно системе отопления – это с одной стороны подача горячего теплоносителя от котла или котельной, а с другой уже подогретая на первой ступени вода ГВС.

Регулировкой первой ступени заниматься нет нужды. Устанавливаются лишь шаровые вентили на все четыре отвода и обратный клапан на подачу холодной воды.

Обвязка второй ступени идентичная параллельному подключению за исключением того, что вместо холодной воды подключается уже подогретая вода с первой ступени.

Как использовать теплообменник для горячей воды от отопления и в чем заключается принцип его работы в системе

Теплообменник для горячей воды от отопления – самый экономичный вариант организации горячего водоснабжения частного дома.

Теплообменник увеличивает эффективность отопления, обеспечивает бесперебойное снабжение дома горячей водой – и все это делается одновременно.

Что это такое

Что такое теплообменник для горячего водоснабжения – это устройство, в котором производится обмен тепловой энергией между двумя раздельными средами. Говоря проще, горячая вода, находящаяся в одной емкости, нагревает холодную воду, находящуюся в другой, причем, между собой эти емкости не сообщаются. Простым примером прибора можно назвать трубу с холодной водой, которая помещена в трубу большего диаметра с горячей водой.

Вода в меньшей трубе начнет нагреваться, стремясь уравнять температуру с внешней средой. Теплообменник для ГВС принцип работы его не меняется при любом типе устройства.

Для поддержания процесса в стабильном режиме обе жидкости движутся (циркулируют) с определенной скоростью, что позволяет получить устойчивый постоянный процесс.

При правильной конструкции и точной настройке скорости циркуляции обеих жидкостей потери тепла сводятся к минимуму.

Применение аппарата позволяет использовать один источник нагрева для систем отопления и ГВС одновременно, снижая тем самым количество оборудования и расходы на теплоноситель. Прибор для горячего водоснабжения частного дома выгоден тем, что позволяет добиться большей автономности жилища и уменьшить зависимость от сетевых ресурсов.

Обратите внимание! Этот аппарат не является самостоятельным нагревателем, для работы ему требуется теплоноситель, уже имеющий нужную температуру среды.

Для чего нужен

Теплообменник в системе отопления и ГВС может выполнять несколько функций:

• Нагрев воды для бытовых нужд (системы отопления и ГВС).
• Стабилизация работы (подогрев теплоносителя от горячей воды в собственном котле).

Отопление дома непосредственно через теплообменник требует наличия теплоносителя со стабильной и регулируемой температурой. Если использовать прямой подогрев теплоносителя в котле, температура будет постоянно меняться, добиться нужной степени нагрева будет очень сложно.

Решает эти проблемы аппарат, в котором регулировка параметров теплоносителя осуществляется плавно и эффективно.

Наличие горячего теплоносителя дает возможность нагрева воды для бытовых нужд.

Учитывая, что вода движется независимо друг от друга, можно использовать тепло одной системы для нагрева другой без всяких ограничений. Эта функция выполняется аппаратом, который осуществляет передачу тепловой энергии от теплоносителя к воде из системы отопления и ГВС, делая ее независимой от окружающих сетей и снимая зависимость от компаний-поставщиков.

Важно! Теплообменник для отопления частного дома – многоплановый механизм, позволяющее значительно экономить на горячем водоснабжении.

От каких факторов зависит эффективность

На работоспособность влияют несколько факторов:

• Конструкция устройства.
• Режим работы, температура отдающего теплоносителя.
• Величина потерь тепла или, проще, состояние внутренней поверхности трубок (отсутствие накипи или наслоений, работающих как теплоизолятор и снижающих способность к принятию или отдаче тепловой энергии).

Поскольку устройство выбирается на стадии проектирования и монтажа, а режим работы устанавливается при настройке системы отопления в целом, то наиболее важным фактором становится борьба с потерями. Для этого теплообменник бытовой периодически промывают и очищают с помощью различных средств, которых достаточно в продаже.

Для удаления накипи применяют кислотные составы, а жировые отложения очищаются с помощью каустической соды. После очистки устройство тщательно промывают и вновь подключают к оборудованию. Другим средством, осуществляющим профилактику и снижающим степень загрязнения, являются фильтры. С их помощью отсеиваются посторонние частицы, взвесь, жировые соединения. При этом, фильтры также подлежат периодической промывке или замене.

Обратите внимание! На отложение солей или появление накипи на стенках или поверхностях устройства в большой степени влияет скорость движения воды. Чем она выше, тем меньше возможность образования наслоений, но при этом снижается работоспособность. Теплообменник для каждого дома нуждается в правильном выборе режима работы.

Классификация

Вне зависимости от модели, они делятся на стальные и чугунные. Такое деление возникло в процессе развития и формирования систем отопления и водоснабжения.

Традиционно использовались чугунные устройства, поскольку их было легче производить – отливка производилась быстрее и обходилась дешевле, чем изготовление стальных деталей, их сборка, герметизация и т.д.

Кроме того, отсутствие или дороговизна нержавеющих сталей не оставляла никаких вариантов.

Со временем возможности материалов уравнялись, а производственный процесс позволил изготавливать изделия любой сложности из нержавейки. При этом, от чугуна как материала не отказались, так как простота и скорость литьевого производства сохранили свою привлекательность. И по сей день приборы из обоих материалов производятся, активно используются.

Чугунный

Теплообменники из чугуна отличаются большим весом и массивностью. Отливка корпусов с тонкими стенками сложна и ненадежна, поэтому чугунный аппарат всегда значительно тяжелее, чем стальной. Кроме того, отрицательным свойством материала является его хрупкость.

При резких механических или термических воздействиях – ударах, резком заполнении холодного корпуса горячей водой – механизм может треснуть, что не поддается ремонту.

При этом, обычно чугунные корпуса имеют секционное строение, что позволяет изменять размеры и мощность устройства и удалять вышедшие из строя секции. Чугун подвержен коррозии, появлению на внутренней поверхности накипи. Эффективность теплоотдачи у таких механизмов довольно высока, хотя снижена возможность оперативного изменения режима работы.

Стальной

Стальные (нержавеющие) приборы полностью лишены недостатков своих чугунных собратьев. Они прочны, не разрушаются от ударов и резких перепадов температуры, в гораздо меньшей степени подвержены коррозии

(на нержавейку воздействует только электрохимическая коррозия). Сборка их производится прямо на заводе, что осложняет их ремонтопригодность.

Теплоотдача стали высока, она быстро набирает или отдает тепло, что при активных режимах использования может привести к усталостным напряжениям металла, появлению трещин или выходу прибора из строя.

Наиболее распространен пластинчатый теплообменник для отопления, представляющий собой набор плоских пластин с каналами для прохода греющей и нагреваемой среды. Большая площадь пластин способствует эффективной передаче тепла.

Типы моделей

Установлены приборы могут быть в разных точках, что влияет на их эффективность, а также требует различного конструктивного решения. В зависимости от вида и модели источника нагрева могут быть использованы разные типы:

Внутренние

Теплообменники, находящиеся непосредственно в нагревательных устройствах – котлах, печах и т.д. Установка в такой точке дает максимальную эффективность, так как практически отсутствуют потери на нагрев корпуса, на охлаждение теплоносителя во время транспортировки от нагревателя до аппарата.

Чаще всего такие устройства встроены в котел уже на стадии производства, что упрощает задачи по монтажным или наладочным работам – требуется лишь настройка оптимального режима функционирования.

Внешние

Внешние теплообменники устанавливаются отдельно от источника тепла. Такой способ применяется при невозможности или значительной удаленности источника от системы отопления. Например, если в доме используется отопление от сети ЦО, теплообменник бытовой для нагрева холодной воды будет являться внешним устройством. Эффективность такого устройства несколько ниже, чем у внутренних типов, что обусловлено меньшей температурой теплоносителя.

Какой вид лучше выбрать

Подбор теплообменника для гвс осуществляется в случае, если отопление подается не от котла, или в системе его не предусмотрено. Для местных систем отопления или при наличии подключения дома к системе ЦО выбор внешнего устройства очевиден, поскольку иных вариантов не имеется.

Подбор теплообменника производится по имеющимся параметрам системы и обусловлен строением котла, способом получения теплоносителя, величиной необходимого потребления воды и т.д.

Как произвести расчет

Расчет для теплообменника гвс производится путем довольно сложных вычислений, требующих специальной подготовки. Детальный расчет требует составления теплового баланса, учета устройств теплопередачи, расчета средней разности температур и т.д. Все эти операции требуют познаний в области теплотехники, которыми обладает далеко не каждый, а вероятность ошибки очень высока даже у специалиста.

Выход из положения можно найти в сети интернет – онлайн-калькуляторы, в достаточном количестве имеющиеся на сайтах производителей теплового оборудования, позволяют получить нужные данные просто и достаточно надежно. Для проверки расчет следует продублировать несколько раз, сопоставить полученные результаты для выбора наиболее верного.

Монтаж

Работы по монтажу представляют собой установку и подключение устройства к соответствующим магистралям. Теплообменник водяной необходимо подключить к системе ГВС. Порядок действий определяется типом конструкции устройства и точкой установки в помещении.

Как установить внутренний

Внутренний теплообменник обычно уже установлен и нуждается только в подключении к системе ГВС. Все необходимые действия – присоединение соответствующих патрубков в разрыв отвода от трубопровода ХВС и к вновь образованной линии ГВС.

Как установить внешний

Монтаж внешних устройств производится в непосредственной близости от сети питания. Производится подключение теплоносителя в разрыв питающей магистрали. Система ГВС подключается на выходной патрубок, на входной подключается отвод от ХВС. Выполняется настройка или запуск устройства.

Важно! Все входящие или выходящие линии должны быть оборудованы вентилями с обводными трубопроводами для отключения теплообменника при необходимости ремонта или обслуживания.

Готовим механизм самостоятельно

Для самостоятельного изготовления следует, прежде всего, определиться с моделью устройства. Изготовить теплообменник для системы отопления своими руками проще всего бойлерного типа, поскольку такой вариант наиболее доступен и эффективен.

Упрощая, такое устройство представляет собой бочку с нагретым теплоносителем, внутри которой находится змеевик или трубная доска с множеством трубок для нагрева ГВС.

Вариантов может быть очень много, каждый мастер привносит в конструкцию какие-то свои идеи.

Водяная рубашка

Самодельный теплообменник водоводяной «водяная рубашка» – это тот самый вариант, о котором уже упоминалось. Труба (емкость), расположенная внутри другой трубы (емкости) с теплоносителем. Изготовление такой модели несложно, но потребует обеспечения герметичности большей емкости, что в домашних условиях непросто сделать. Температурные расширения, неминуемые при эксплуатации, оказывают отрицательное влияние на прочность сварного шва.

Эффективность системы прямо пропорциональна длине внутреннего трубопровода, для чего обычно используют змеевики или подобные устройства, увеличивающие длину и площадь соприкосновения поверхности трубы.

Распространенным вариантом является медная трубка, свернутая кольцами или зигзагами, омываемая горячим теплоносителем из большей емкости.

Трубная доска

Такой прибор представляет собой пучок трубок, присоединенных к двум плоским пластинам с отверстиями (отсюда и название). Пластины отсекают емкости, одна из которых имеет входной и выходной патрубки для поступления холодной воды и вывода нагретой. Вторая емкость служит для обеспечения циркуляции воды, увеличивает длину трубок и, соответственно, площади соприкосновения.

Вся конструкция помещается в корпус с горячим теплоносителем, который нагревает воду в трубках. Такая система требует участия умелого сварщика, так как количество трубок велико, требует качественного присоединения. Нарушение герметичности любого шва приведет к перемешиванию воды с теплоносителем, что недопустимо.