Теплообменник своими руками: виды, принцип работы воздушного и водяного, из чего они сделаны, чем и как промыть устройство для банной печи

Статьи 27.08.2018

Есть разные способы передачи тепла — нагрева или охлаждения газов, жидкостей или твердых материалов. Использование тепловой энергии от горячей среды, как независимого источника тепла, позволяет экономно расходовать и сохранять энергию. В отличие от обычных способов нагрева, которые требуют добычи или производства энергии, передача тепла представляет собой лишь редистрибуцию ранее полученного тепла.

Принцип работы

Теплообменник — это наименование группы устройств, действующих по одному принципу, но выполняющих разнообразные задачи и имеющих собственные названия. Так, теплообменниками являются калориферы, бойлеры, холодильники и прочие устройства. Вариантов конструкции существует много, поскольку необходимость в передаче тепловой энергии имеется в большом числе комплексов и систем.

Теплообменник организует передачу тепловой энергии от одной среды к другой без непосредственного контакта или перемешивания. Источником и приёмником тепла могут быть совершенно разнородные материалы, например, горячий металл способен нагревать поток воздуха, нагретая жидкость способна передать тепло другой жидкости через тонкую стенку из материала, хорошо проводящего тепло, и т.д. Процесс всегда один — энергия от горячей среды переходит в холодную, но его цель может быть различной — либо нагрев, либо охлаждение приёмника, в зависимости от назначения системы, в которой установлен теплообменник.

Теплообменник своими руками: виды, принцип работы воздушного и водяного, из чего они сделаны, чем и как промыть устройство для банной печи

Передача осуществляется либо непрерывно, путём косвенного контакта двух сред разной температуры, разделённых перегородкой (поверхностный, или рекуперативный тип), либо периодически, поочерёдной передачей тепла на определённый приёмник и его последующим отбором (регенеративный тип). Рекуператоры используются в системах отопления или водоснабжения, поэтому в глазах рядового пользователя они выглядят более распространёнными, чем регенераторы, встречающиеся только в больших промышленных установках разного назначения.

Наиболее распространёнными вариантами конструкции являются системы вода-вода (теплоноситель-вода), использующиеся в отоплении и водоснабжении, и вода-воздух (калориферы).

Виды теплообменников

Существует два основных типа конструкции теплообменников:

Тип «труба в трубе». Представляет собой отрезок трубы, по которой циркулирует нагреваемая среда. Внутри неё в продольном направлении установлена вторая труба меньшего диаметра, по которой движется горячий теплоноситель. Применяются для жидкостных систем теплообмена.
Пластинчатый. Представляет собой пачку пластин с зазором между ними в несколько миллиметров. Они объединены между собой таким образом, что каждая из пластин разделяет две среды с разной температурой, движущихся в перпендикулярном направлении. Существуют конструкции с оребрёнными пластинами, имеющими увеличенную площадь теплоотдачи и, соответственно, большую эффективность. Используются как для жидкостей, так и для воздушных потоков (рекуперация воздушного отопления).

Конструктивный тип «труба в трубе» получил широкое развитие. Существует масса вариантов такого решения:

Кожухотрубный. Пучок трубок с циркулирующей средой-приёмником установлены в корпус (кожух), заполненный теплоносителем-донором.
Элементный. Ещё одна разновидность кожухотрубной конструкции, с более сложной системой расположения трубок. Предназначен для систем с высоким давлением.
Погружной. Спираль с теплоносителем-приёмником погружается в проточную ёмкость с теплоносителем-донором. За счёт невысокой скорости движения жидкости в спирали и быстрой смены теплоносителя в корпусе достигается высокая эффективность нагрева приёмника и малый расход тепловой энергии теплоносителя-донора.
Спиральный. Конструкция напоминает погружной вариант, но с плоской полой спиралью, по которой перемещается горячий агент. Холодная жидкость находится в корпусе. Этот тип теплообменников позволяет работать с вязкими жидкостями, пульпой.

Теплообменники типа «труба в трубе» позволяют развивать большую скорость прохождения (циркуляции), получив наименование геликоидных, или скоростных. Существуют также интенсифицированные геликоидные конструкции, позволяющие увеличить скорость и давление (интенсифицировать) греющей и нагреваемой среды для повышения общей эффективности и скорости процесса.

Наиболее эффективным типом конструкции признан пластинчатый вариант, который занимает в несколько раз меньше места при той же производительности. Существенным недостатком является сложность очистки пластин от наслоений из-за малой величины зазоров и недоступности для механической очистки, вынуждающей использовать активные химические вещества.

Изготовление устройства

Самостоятельное изготовление теплообменника под силу только людям, имеющим определённые навыки, инструменты и знания. Не имея опыта и практики, изготовить устройство, предназначенное для работы с нагретой средой под давлением, практически невозможно. Прежде, чем начинать непосредственное изготовление устройства, необходимо выбрать его тип, приготовить необходимые материалы, инструменты и оборудование. Поскольку вариантов конструкции существует достаточно много, следует рассмотреть наиболее распространённые типы по отдельности.

Водяной для банной печи

Печь в бане нагревает определённый, относительно небольшой объём воды. Для небольшой семьи этого достаточно, но для компании из нескольких человек может потребоваться большее количество. Для того, чтобы не подливать постоянно в котёл воду, а использовать имеющееся количество в качестве греющей среды, устанавливается теплообменник и ёмкость с расходной водой для мытья. Большинство таких устройств работает на естественной циркуляции — горячая вода поднимается вверх, а остывшая — опускается вниз. Наиболее распространённый вариант конструкции — погружной, в бак с греющей средой устанавливается змеевик, по которому движется нагреваемая вода.

Ёмкость присоединяется к котлу двумя трубопроводами — прямым и обратным. Горячая вода из котла поднимается вверх, отдаёт тепловую энергию и опускается обратно в котёл, где нагревается вновь. Для неё понадобится бак с двумя отводами на боковой стенке.

Для изготовления необходимо:

Бак из нержавейки диаметром 300-400 мм и высотой 500-600 мм;
Крышка для бака с фланцевым креплением;
Около 10 м медной трубки (при диаметре спирали 300 мм на каждый виток уходит около 1 м трубки, точную длину можно подсчитать самостоятельно);
Сварочный аппарат для пайки меди и сварки нержавейки.

Это важно! Нержавеющая сталь может быть заменена на обычную, но следует помнить, что в этом случае понадобится прочное полимерное защитное покрытие, которое периодически надо будет обновлять.

Порядок действий:

Прежде всего, необходимо обеспечить прочность и герметичность крепления крышки. Просто приварить её нельзя, так как необходимо будет периодически прочищать теплообменник. Для эксплуатации наиболее удобный вариант — фланцевое крепление, которое можно заказать сразу при изготовлении или изготовить самостоятельно. Сам фланец делается также из нержавейки, его следует заказать у токаря. Крепёжные отверстия делаются с учётом размещения уплотнителя (сальника). В готовом виде он представляет собой два кольца, соединённые между собой по периметру 4 или 6 болтами. Кольца в собранном виде аккуратно привариваются сначала к самому баку, затем тем же способом крепится крышка. Необходимо следить за герметичностью соединения, обнаруженные отверстия заваривать сразу же.
После фланцев переходим к присоединительным патрубкам. Выход холодной воды устанавливается на днище, вход горячей — на боковой стенке ближе к крышке. Для присоединения трубопроводов проще всего использовать резьбовые фитинги, которые привариваются в соответствующие отверстия на днище и стенке ёмкости. Приваривать трубы без возможности отсоединения не следует, при очистке или ремонте возможность снять бак очень важна.
Спираль из трубки навивается при помощи оправки подходящего диаметра. Если используется мягкая отожжённая медная трубка, проблем не возникнет. Жёсткую трубку придётся подогревать в пламени горелки. Работать следует осторожно, использовать защитные перчатки, чтобы не обжечься о горячие детали. После навивки основного элемента спирали на свободные концы припаиваются переходники, которые проводятся сквозь крышку в заранее приготовленные отверстия и припаиваются по кругу. Надо следить за герметичностью и прочностью пайки, так как к переходникам будут присоединены отводы трубопровода, идущего на расходный бак для горячей воды.
Сборка теплообменника проста — готовая крышка со спиралью через резиновую прокладку присоединяется к ёмкости, отверстия фланцевого крепления совмещаются между собой и затягиваются болтами. Необходимо следить, чтобы спираль оказалась посередине бака, не прикасаясь к стенкам — это снизит эффективность теплообмена. Если перекос будет обнаружен, бак надо разобрать, спираль выровнять. Избежать этого можно уменьшением диаметра оправки при навивке.

Обеспечить устойчивую естественную циркуляцию воды удаётся не всегда, поэтому рекомендуется использовать циркуляционный насос, по крайней мере, на нагреваемой петле.

Воздушный

Воздушный теплообменник состоит из одного или нескольких рядов трубок с горячим теплоносителем, установленных с небольшим зазором между собой в рамке — корпусе. Сквозь трубки при помощи вентилятора прогоняется поток воздуха, который забирает у трубок тепловую энергию. Этот вариант конструкции называется калорифером, он широко используется в системах воздушного отопления.

Для максимальной эффективности трубки покрываются спиралью оребрения, увеличивающей площадь контакта с воздушным потоком. В домашних условиях это недоступно, поэтому обычно просто устанавливают трубки с минимальным зазором, но не препятствующим прохождению воздуха и не снижающим его скорость и напор.

Существуют пластинчатые конструкции, также используемые для рекуперации тепловой энергии в системах воздушного отопления и вентиляции.

Два потока холодного и тёплого воздуха направляются в перпендикулярном друг к другу направлении, разделёнными пластинами таким образом, что в одном зазоре расположен тёплый поток, в другом — холодный, затем вновь тёплый и т.д. Эффективность пластинчатых теплообменников достаточно высока, но они в основном применяются для систем «воздух-воздух», для самостоятельного изготовления довольно сложны и не могут использоваться для систем под давлением.

Порядок изготовления воздушного теплообменника:

Изготавливается короб из листового металла. Его площадь должна соответствовать размеру рабочего колеса вентилятора, если используется центробежная конструкция — изготавливается короб на 70% больший площади выходного патрубка.
На противоположных боковых поверхностях короба сверлятся отверстия под медную трубку. Расстояние между их центрами должно быть на 5-10 мм больше диаметра. Оптимальный вариант — трубка на 18-20 мм.
Изготавливаются отрезки трубки, длина их должна быть на 4-6 см больше ширины короба. Если установить отрезок в противоположные отверстия, с обеих сторон должны торчать свободные концы не менее 2 см.
Трубки вставляются в отверстия, а на их концы сразу припаиваются угловые фитинги, отрезки соединяются между собой таким образом, чтобы в результате получилась «змейка». Иногда делают две «змейки», соединённые параллельно, чтобы теплоноситель не слишком остывал при обдуве.
На входные и выходные концы«змейки» припаиваются резьбовые фитинги, к которым будут присоединены питающие трубопроводы. Подключается вода, соединения проверяются на герметичность и отсутствие протечек.
Готовый короб с трубками устанавливается на основание с вентилятором. По периметру короба и рабочего колеса устанавливается кожух, препятствующий выходу воздушного потока в стороны.
Теплообменник подключается к системе питания, запускается вентилятор, установка испытывается в работе.

Труба в трубе

Этот вариант является одним из самых простых. Отрезок трубы большего диаметра с вваренными на боковой стенке патрубками для подвода и отвода нагреваемой жидкости, внутрь которого сквозь заваренные торцы вставлен трубопровод меньшего диаметра с циркулирующим греющим теплоносителем. Устройство позволяет выдерживать высокое давление, соотносимое с опрессовочными нагрузками системы ЦО.

Порядок изготовления:

На боковых сторонах внешней трубы просверливаются (или прожигаются горелкой) отверстия для присоединительных фитингов.
Привариваются (припаиваются) резьбовые фитинги для трубопроводов.
Отрезок трубы большего диаметра заваривается пластинами металла по торцам.
На торцевых пластинах заранее делаются отверстия для трубы с горячим теплоносителем. Вставляется отрезок трубы с резьбовыми соединениями на концах, обваривается по периметру.
Центральная (горячая) труба устанавливается в разрыв трубопровода с теплоносителем, на боковые соединения подключаются входной и выходной патрубки от трубопрповода, ведущего к расходной ёмкости. Теплообменник готов.

Подобные теплообменники просты в изготовлении и эксплуатации, но имеют относительно низкую эффективность, поэтому для частных домов принято использовать различные усовершенствованные конструкции, одной из которых является рассмотренный выше теплообменник для банной буржуйки.

Как и чем промыть теплообменник

Наиболее эффективный способ — ручная механическая чистка, но для большинства конструкций этот вариант не годится. Доступа к внутренним поверхностям устройства не имеется, поэтому приходится прибегать к химическим методам очистки — промывке. Для этого применяются различные промывочные химикаты, например, подойдёт сантехническое средство от налёта, кислотные растворы, моющие средства и т.д. Выбор того или иного раствора зависит от состава загрязнений, который, в свою очередь, обусловлен типом теплоносителя и спецификой работы.

Промывку удобнее всего производить в отсоединённом от системы состоянии. Теплообменник помещают в ёмкость с моющим средством, выдерживают определённое время (если это необходимо), затем промывают сильной струёй воды из шланга. Если с первого раза нужного результата добиться не удаётся, прибегают к повторной промывке. Для теплообменников сложной конфигурации рекомендуется собрать отдельную замкнутую систему для промывки с циркуляционным насосом и ёмкостью. Вместо теплоносителя в неё заливают моющее средство или раствор и запускают циркуляцию на некоторое время. Перемещение жидкости под давлением эффективно растворяет и выводит твёрдые частицы, жировые наслоения, прочий мусор. Рекомендуется промывать теплообменник регулярно, раз в год или немного реже. При появлении нестабильной или неэффективной работы устройства надо сразу очистить его, чтобы снизить потери на некачественной теплопередаче.

Для того, чтобы сделать теплообменник, требуется точно понимать принцип его работы и использовать наиболее теплопроводные материалы. Оптимальный вариант — медь, её качества намного опережают алюминий или нержавеющую сталь. Все операции по сборке и сварке следует выполнять аккуратно, не допускать попадания внутрь мусора, окалины или шлака. Особой сложности в изготовлении нет, но теплообменники для системы центрального отопления, которые будут работать под давлением, надо варить ответственно. Если уверенности в своих силах нет, лучше пригласить опытного специалиста, способного выполнить качественное и герметичное соединение.