Что такое теплообменник
Это техническое устройство, изготовленное из материала с высоким показателем теплопроводности, в котором две среды с разной температурой соприкасаются через перегородку. Именно через стенку прибора от одной среды температура передается другой.
Существует два типа теплообменников:
- Рекуператоры. То есть те, в которых передача температуры происходит через перегородку.
- Регенераторы. В них среды с разными температурами соприкасаются с одной единственной поверхностью поочередно.
Принцип работы теплообменника
Существует несколько разновидностей теплообменников, отличающихся друг от друга чисто конструктивным исполнением. Это часто используемые варианты:
- Змеевик – это трубка, накрученная на дымоходную трубу, по которой движется вода.
- Труба в трубе. Это конструкция в виде цилиндра, насаженная на дымоход. Внутри него протекает вода, которая поступает внутрь конструкции через нижний патрубок, а выходит через патрубок, установленный верхней части теплообменника. Нагрев жидкости происходит через стенку дымохода.
- Спиральные. В быту применяются редко, потому что конструктивно – это емкость, в которую укладывают по спирали (по внутренним стенкам) трубу, внутри движется горячая среда. К сожалению, в таком виде дымоход работать не будет.
- Кожухотрубные. Это не бытовой агрегат. Его конструкция – это емкость, в которой вставлено большое количество трубок. По ним и перемещается среда с большой температурой, а между трубками движется вода.
- Пластинчатые, их еще называют конвекторами. Эта модель такая же, как предыдущая. Только в ней вместо трубок установлены полые панели, по которым и движется среда с высокой температурой. А между ними вода. Эффективность передачи тепловой энергии здесь зависит от того, в каком направлении относительно друг друга перемещаются среды. Оптимально – навстречу друг другу.
Теплообменный агрегат спирального типа
Существует еще одна классификация, в которой теплообменники делятся на водяные и воздушные. О первых было написано выше. Что касается вторых, то с их помощью в основном организовывают дополнительное отопление помещений. Ярким представителем таких агрегатов выступает гофрированные теплообменники.
Для этого используют стальные гофрированные трубы (они гибкие), которые обвивают . Получается так, что угарные газы с высокой температурой, идущие от топки печи, отдают часть тепла воздуху, проходящему внутри гофры. Последняя соединена с улицей, обычно ее вводят в помещение через отверстие, расположенное близко к полу. Иногда устанавливают маломощный вентилятор для придания воздуху небольшой скорости. Противоположный конец гофры устанавливают в то помещение, где требуется поднять температуру.
Материалы для теплообменников
Обычно дымоход собирают из металлических труб. Редко в парилке бани или других помещениях, кроме основного дома, монтируют керамические или стеклянные дымоходы. Слишком дороги. Поэтому можно смело говорить, что эти конструкции обладают высокой тепловой отдачей. Поэтому на них можно монтировать теплообменник.
Змеевик из медной трубы
Материал для самого теплообменного аппарата выбирается из расчета выдерживания больших тепловых нагрузок, потому что температура угарных газов может доходить до +500С. Плюс, необходимо учитывать негативное воздействие воды на металл. Поэтому трубки змеевика должны быть изготовлены или из медного сплава, или из нержавеющей стали.
Если принято решение соорудить теплообменник типа труба в трубе, то для его изготовления лучше использовать конструкцию из нержавейки или оцинковки.
Змеевик для печей
Один из самых простых в изготовлении теплообменников – змеевик. Все что нужно – найти трубу из достаточно пластичного металла. Чаще всего используется медь или алюминий, так как оба металла стойки к коррозии и легко гнутся. Затем труба изгибается, причем форма в принципе может быть любая.
Для того чтобы вода активно двигалась самотеком (без насоса) общая протяженность змеевика не должна превышать 3 метров (это с учетом соединения до выносного бака). Создавая свой теплообменник, «примеривайте» его к печи: он не должен соприкасаться с открытым пламенем, а нагреваться должен раскаленным воздухом. На концах нарезается наружная резьба, к которой затем подсоединяются через фитинги выносной бак.
Змеевик может располагаться не только внутри топки, но и снаружи. Обматывать печку вряд ли стоит, а вот металлический дымоход греть воду будет достаточно эффективно. Ведь если печь без камеры дожига, то температура на выходе топки может быть до 500оС. Пример такого теплообменника на трубе смотрите на фото.
В самом простом варианте теплообменник может иметь вид подковы. Тогда использовать можно и нержавейку – так ее можно согнуть. Например, на видео ясно видна подобная форма, которую использовали в печи для бани «Витра» (видео о том как перенести теплообменник в печи Vitra с левой боковой панели на правую ищите в конце статьи).
Простейший вид теплообменника для банной сети — изогнутая трубка с резьбой на концах
Один из видов змеевика – регистр. Это, как правило, сварная конструкция из труб, которая часто чем-то напоминает отопительные. Регистр для банной печи чаще всего варят из нержавейки, так как только она может длительное время переносить жесткие условия эксплуатации. Сварные конструкции имеют большой размер и вес, и потому их чаще устанавливают кирпичных печах. В железной печи не всегда можно найти место для размещения небольшой трубки-теплообменника, не то что громоздкой сварной конструкции. А при проектировании кирпичных банных печей можно выделить место и под регистр.
Теплообменник-регистр. Такой в готовую металлическую печь не поставишь. Это вариант или для самодельной железной печи или для кирпичное (скорее так судя по размерам)
Иногда теплообменник выполнен в виде небольшой емкости с водой (объем до 3-х литров), который также располагается внутри топки без непосредственного контакта с огнем. Принцип его работы ничем не отличается от других. Чтобы служил такой бачок-теплообменник дольше, при изготовлении своими руками, постарайтесь сделать конструкцию так, чтобы было как можно меньше сварных швов. Например, возьмите лист нержавейки (толщины 1-2 мм достаточно) и на листогибе придайте требуемую геометрию. На корпусе шов будет всего один, плюс приварены будут боковые панели и входные патрубки.
Теплообменник для банной печи фирмы «Ермак» — уникальная конструкция
Изготавливая любой из теплообменников, расположенных внутри топки, нужно помнить, что отбирать без ущерба для обогрева помещения они могут не более 10% мощности печи. Так что чересчур большие регистры делать нерационально. Их и разместить сложно и они отрицательно скажутся на температуре воздуха в парной. Лучше рассчитать систему так, чтобы можно было за все время посещения бани подогреть воду несколько раз: вам ведь не нужны сразу 150 литров кипятка? Сначала надо немного горячей воды чтобы запарить веники, потом чуть больше, чтобы помыться перед парилкой, и затем еще некоторое количество, чтобы ополоснуться. В результате, нужны, может и 150 литров горячей воды, но порциями. Так зачем делать систему на 150 литров и ждать несколько часов, пока она будет приемлемой температуры, если можно сделать бак на 50-70 литров и несколько раз нагреть в нем воду, которая будет расходоваться по мере необходимости…
Традиционные системы нагрева
В поисках универсального решения народные умельцы перепробовали множество вариантов и каждый из них хорош по-своему.
Нельзя четко сказать, что существует универсальный вариант, поэтому выбирать следует в зависимости от условий, существующих на конкретном объекте.
- В процессе строительства бани многие современные хозяева предпочитают идти наиболее легким путем и приобретают электрический бойлер. Вариант бесспорно достойный, но для него необходима постоянная подача воды, плюс для большой емкости затраты на электроэнергию будут чувствительными.
- Классикой считается встроенный в печь водонагревательный бак. Такие емкости быстро нагреваются, инструкция по монтажу таких нагревателей наиболее простая, в самом доступном варианте достаточно поставить бак на печь. Но располагаться он будет низко и, находясь в парилке, станет источником мокрого пара, что не всегда хорошо.
- Хорошо зарекомендовали себя выносные баки, когда основная емкость монтируется на комфортной высоте в предбаннике или душевой, а нагрев осуществляется через теплообменник, установленный в топке. Работают они благодаря элементарным законам физики, холодная вода по нижней трубе поступает в теплообменник и, нагреваясь, через верхний водовод возвращается обратно.
- Но самыми выгодными и удобными в эксплуатации считаются емкости, смонтированные непосредственно на дымоходе, о них мы и будем говорить далее.
Купить или сделать самому
Если вы хотите увеличить теплоотдачу от дорогого покупного котла, лучше купить готовые качественные устройства – промышленность выпускает их в достаточном ассортименте. Но если хочется модернизировать буржуйку в бане либо гараже или повысить КПД камина со стальной трубой на даче – можно неплохо сэкономить, изготовив и установив теплообменник на дымоход своими руками. Установка теплообменника силами наемного специалиста обойдется во столько же, сколько стоит сама конструкция.
Примерная цена
Стоимость промышленно изготовленных теплообменников для дымохода различается в зависимости от конструкции и производителя.
Ходовые теплообменники-баки для дымохода диаметром 115 мм емкостью 6 л стоят рублей, емкостью 12 л стоят рублей.
Виды устройств для дымохода
Среди воздушных разновидностей традиционной моделью для самостоятельного изготовления считается трубчатый теплообменник, хотя есть и множество других вариантов.
Рассмотрим основные виды, которые актуальны для монтажа на дымоход печей длительного горения, малогабаритных буржуек, печей на отработке. Тепло, которое они преобразуют из энергии продуктов горения, называют сухим.
Если представить схематично внутреннюю часть устройств, то она может иметь следующие вариации.
Горизонтально или вертикально расположенные трубы, приваренные к корпусу топки. Вертикальное расположение эффективнее, так как воздух лучше проходит сквозь каналы. Материал изготовления – сталь.
Обвитая вокруг топки труба. Для хорошей теплоотдачи достаточно 2-3 витков, которые лучше слегка раздвинуть, чтобы увеличить площадь обогрева.
Перегородки внутри корпуса. Своеобразный лабиринт составляют из металлических пластин, установленных вертикально. Оптимальная толщина деталей – от 6 мм до 8 мм.
Трубы, проходящие сквозь топку.
При вертикально расположенных каналах движение воздуха более интенсивное, следовательно, производительность прибора увеличена. Но в некоторых случаях уместны устройства с горизонтально расположенными трубами или с перегородками. Каждая из перечисленных моделей подходит для самостоятельного изготовления, если есть навыки сварки.
Как подобрать или рассчитать размеры печного котла
После того, как вы выбрали вид теплообменника, необходимо определиться с его размерами. С одной стороны его габариты должны соответствовать размеру места, куда он будет установлен.
Чаще всего теплообменники помещают в топливник печи, но иногда в дымовых каналах или камере бесканальной печи. При этом необходимо учесть, что между кирпичной кладкой и регистром должен быть зазор 0,5-1 см, учитывающий тепловое расширение металла.
Кроме этого, необходимо знать требуемую мощность печного теплообменника. Как ее определить?
Она зависит от тепловой мощности системы водяного отопления, необходимой для обогрева дома, которая в свою очередь зависит от теплоизоляционных свойств его наружных конструкций и максимальной отрицательной температуры наружного воздуха зимой. Упрощенно можно ориентироваться на средний показатель: 10-12 кВт на 100 м 2 площади дома.
Как же вычислить необходимую площадь печного котла, для обеспечения такой тепловой мощности? В среднем, принято считать, что для обеспечения тепловой мощности 5-10 кВт необходимо около 1 м 2 теплообменной поверхности котла. Величина этого показателя зависит от температуры горячих газов, соприкасающихся с теплообменником и температур воды (теплоносителя) на его выходе и входе, что в свою очередь, в значительной степени зависит от режима топки и вида топлива.
Полную мощность теплообменника можно вычислить по формуле:
где: Qуд – его удельная мощность, ккал/час;S – его полезная площадь (соприкосновения с нагревающей средой), м 2 .
Удельную мощность можно вычислить по формуле:
где: k =12 ккал/час на 1°С – коэффициент теплопередачи «газ-вода» через стальную поверхность;Т = (Tмакс+Tмин)/2 – средняя температура нагревающей среды (пламя, газы), °С;t = (tмакс+tмин)/2– средняя температура теплоносителя (вход+выход/2), °С.
Если печь будет работать периодически (около 2 часов) на дровах, то средние температуры среды и теплоносителя будут максимум: 500 и 70°С соответственно и с 1 м 2 теплообменника в этом случае можно будет получить максимум 6 кВт тепловой мощности.
Если печь будет работать на угле и постоянно, то средние максимальные средние показатели среды и теплоносителя могут быть: 800 и 70 °С соответственно. В этом случае с 1 м 2 площади печного котла можно будет снять около 10 кВт.
Если известна общая требуемая тепловая мощность котла и режим топки (а значит и удельная его мощность), то вполне можно определить, какую полезную площадь поверхности он должен иметь:
В зависимости от того из какого материала будет изготавливаться теплообменник, можно подсчитать, сколько потребуется труб или листового металла, чтобы обеспечить такую площадь соприкосновения с нагревающей средой. При этом в расчет берется только та поверхность, которая будет непосредственно контактировать с горячими газами или пламенем.
Например, если печной котел будет изготавливаться сплошным (только из листового металла), то в расчет следует принимать только внутреннюю его поверхность. Если же он будет изготавливаться из труб, то практически вся их поверхность будет участвовать в теплообмене (их длина х диаметр х 3,14). При комбинировании разных материалов, необходимо будет вычислять площадь соприкосновения с нагревающей средой каждого элемента отдельно, а потом суммировать.
Если необходимо увеличить тепловую мощность котла при тех же габаритных размерах, можно в его конструкцию добавить дополнительные элементы (например, трубы). Если же его мощность получается слишком большой, то можно уменьшить его длину. Другими словами: в каждом конкретном случае необходимо делать расчет и корректировку размеров регистра, привязывая их к размерам и конструкции самой печи, а также мощности системы водяного отопления дома, которую придется обеспечивать тепловой энергией.
Изготовление своими руками
После того, как подобран вид печного котла, материал и сделан расчет размеров можно приступать к его изготовлению своими руками
При этом необходимо обратить внимание на качество сварочных работ. Оно должно быть на высоком уровне, так как данный агрегат будет эксплуатироваться в достаточно агрессивной среде, а для того чтобы выполнить его ремонт, скорее всего, придется разбирать печь или ее часть
Поэтому, если вы не уверены в своих способностях сварщика, то лучше эту работу поручить опытному специалисту, предварительно заготовив все необходимые элементы конструкции.
После выполнения сварочных работ необходимо заполнить регистр водой, проверить нет ли протечек и выполнить его опрессовку при давлении, превышающем рабочее в системе отопления, как минимум, в 2 раза.
Что это такое
Устройство служит для нагрева воды в бане. Его принцип работы основан на физических свойствах горячей воды, расширяющейся и поднимающейся вверх, а холодная при этом остается внизу.
Обычно теплообменник небольшого размера, поэтому жидкость в нем быстро нагревается. К нему присоединяются две трубы – снизу и сверху. Таким образом, горячая по верхнему патрубку, замещаемая снизу холодной, поднимается в бак, который может находиться как в парилке, так и в смежном помещении, как правило – в мойке. При этом вода низкой температуры по нижней трубе постоянно без принудительной подачи добавляется в устройство для нагрева.
Варианты нагрева воды в бане от печи
Выделяют следующие модели:
1. Емкость самоварного типа – устанавливается на выходной патрубок дымохода. Нагрев происходит за счет тепла уходящих в трубу дымовых газов. К штуцеру на дне бака подсоединяется кран для разбора горячей воды. Если у вас нет помывочной, то данный вариант будет отличным решением для нагрева
Мы рекомендуем обратить внимание на следующие условия эксплуатации:
- использование бака самоварного типа допускается только с печами для бань;
- запрещается эксплуатировать пустой бак во время работы печи;
- если вы хотите получить «финскую сауну» данный вариант нагрева воды вам не подойдет, так как в случае долгого разогрева парной жидкость начнет кипеть, из-за чего образуется тяжелый пар.
2. Теплообменник самоварного типа (небольшого размера с возможностью подключения к баку), который можно расположить в любом месте. Удобен тем, что при его наличии, бак можно разместить в помывочной. Из очевидных преимуществ перед остальными вариантами – быстро нагревает воду.
3. Теплообменник, который устанавливается на стартовый дымоход.
4. Стартовый дымоотвод + бак-рюкзак – вариант с нахождением в парной и отсутствием регулируемой конвекции для прогрева помещения.
Емкость соприкасается со стенкой трубы дымохода, за счет чего происходит нагрев жидкости. Из недостатков также можно отметить, что данная модель не имеет защиты от жесткого инфракрасного излучения, и в случае сильного нагревания, вода начинает кипеть.
5. Дымоход-конвектор со встроенным в него нагревателем.
Особенности: регистр находится внутри трубы, из которой выходят 2 одинаковых штуцера ¾ дюйма с внутренней резьбой. С помощью патрубков устройство соединяется с баком, висящим в удобном месте.
Может быть:
- Вмонтирован в печь – при появлении накипи теряет КПД.
- Расположен возле дымохода (на нем) – медленнее обеспечивает нагрев до необходимой температуры, зато на его внутренней поверхности ничего не оседает, к нему имеется легкий доступ, и его ремонт не составляет труда.
Выбор зависит от пользователя: чему отдать предпочтение, производительности или комфорту в обслуживании, экономии полезной площади или топлива.
Устройство теплообменников для банной дровяной печи
Высокая теплоотдача банных печей, повышенная интенсивность сгорания в них топлива активно используются для размещения в них устройств подогрева воды для проведения помывки.
Теплообменники для бань представляют собой полую герметичную емкость для воды, имеющую форму змеевика (регистра), размещаемую в топке, а также герметичного бака, размещенного на ее стенке или дымоходе.
Прибор нагрева воды циркуляционного типа соединяются системой трубопроводов с накопительным баком горячей воды.
Принцип работы приборов непрямого нагрева воды основывается на циркуляции жидкости в результате ее естественной конвекции.
Справка. Естественная конвекция жидкости возникает, когда низшие слои жидкости нагреваются и становятся легче, поднимаясь наверх, а тяжелые и холодные опускаются, занимая место нагретых.
Для работы открытой системы рециркуляции жидкости (без применения циркуляционного насоса), диаметр труб, предающих воду к накопительному баку, не должен превышать одного дюйма, чтобы обеспечить необходимую скорость циркуляции.
Протяженность труб от теплообменника до накопительной ёмкости не должна превышать 3-х метров. Этой длины часто хватает для выноса накопительного бака из парной в смежную комнату для проведения помывки.
Ёмкость горячей воды, по законам естественной конвекции, устанавливается выше уровня теплообменника.
К оборудованию нагрева воды со стороны входа и выхода привариваются резьбовые патрубки для подключения циркуляционных труб, соединяющих устройство с баком.
Чаще всего используется накопительный стальной бак объемом 60—120 литров, в зависимости от мощности печи.
На накопительную ёмкость устанавливается кран слива для помывки, а на трубу холодной циркуляции воды (нижнюю) кран слива жидкости из системы.
Важно! Специалисты не рекомендуют устанавливать циркуляционный насос в системах подогрева воды банных печей
Виды
Обычно используются следующие виды приборов:
- Внутренний. Самый простой вариант, изготавливаемый в виде встроенного в топку печи змеевика, направляемого на активное использование вырабатываемого топливом тепла.
- Внешний. Представляет собой резервуар с водой, смонтированный на наружной боковой стенке печи. Высокая температура стенки нагревает бак за счет передачи ему теплового излучения. Этот вариант проще в изготовлении, чем внутренний теплообменник.
- Наружный. Устанавливаемый на трубу дымохода бак с водой — это эффективный способ устройства теплообменника, не требующий больших усилий в его установке и не занимающий много места в парной.
- Наружный проточный (экономайзер). Представляет собой небольшой проточный нагреватель средней емкости от 5 до 10 л, устанавливаемый на дымоходную трубу и соединенный с накопительным резервуаром системой трубопроводов. Это, пожалуй, лучший теплообменник по его монтажу и использованию.
Фото 1. Наружный теплообменник для банной печи. Устройство сделано из нержавеющей стали, надевается на дымоход.
Комбинированные модели. Одновременно включают в конструкцию змеевик, встроенный в топку, и наружную ёмкость с водой, устанавливаемую на трубу дымохода. Оба устройства соединены системой трубопроводов, и имеют отдельный подсоединяемый бак для сбора горячей жидкости.
Из чего их изготавливают
Внутренние теплообменники (регистры) в форме Г-образной решетки производятся из гнутых стальных, чугунных или медных гладкостенных труб диаметром 40—50 мм.
Резервуары для воды изготавливается из раскроенной и сваренной листовой стали с толщиной, превышающей 2,5 мм.
Самый популярный материал для изготовления приборов нагрева воды — нержавеющая сталь, т. к. это недорогой металл с высокой термостойкостью.
Внимание! При изготовлении теплонагревающих устройств этого типа нежелательно использовать оцинкованную сталь, т. к
при температуре выше 200 градусов Цельсия цинк начинает испаряться.
Недостатки чугунных агрегатов — их хрупкость и вес, а медных — повышенная цена и недостаточная жаропрочность.
Воздушный конвектор
Не всегда хватает финансов на приобретение уже готового теплообменника. В принципе сделать теплообменник в печь для отопления нетрудно. Для этого берется медь, алюминий, при желании можно вполне обойтись без сварки. При условии правильной подготовки, точных расчетов бюджет заметно экономится.
Сначала подбирается место, высчитываются параметры, нужно решить, какой материал выбрать, чтобы сделать теплообменник. Можно соорудить конструкцию из старого чугунного радиатора, радиатора от автомобиля. Главное – учесть проводимость тепла
Также важно продумать набор инструментов, подготовить всё заранее, каждая деталь значительно облегчает монтаж
Сборку нужно начинать с составления чертежа с учетом размеров. Если печка слабая, непропорционально крупный теплообменник навредит. При использовании меди для змеевика – длина его максимум 3 м. От протяженности трубы и числа завитков зависит быстрота прогревания
Важно запомнить, что перекосы снижают срок эксплуатации оборудования
Оборудование воздушного конвектора
Чтобы закрутить трубы спиралью требуется шаблон. Это любая подручная деталь в форме цилиндра. Его диаметр должен вписаться в размер топки.
Последовательность действий такая:
- изогнуть трубу, намотать ее на заготовку, чтобы получилась спираль;
- соблюсти размеры, чтобы уместить змеевик;
- средняя расчетная мощность теплообменника 1 кВт на 10 м2.
