Какими бывают теплообменники типа «труба в трубе» и как их установить?

Теплообменник «труба в трубе», или теплообменный аппарат с кожухом в виде внешней трубы, работает по тому же принципу, что и коаксиальный дымоход печи или газового котла. Отличается первый от второго тем, что внешняя труба не закрывает внутреннюю по всей длине.

Теплообменник типа «труба в трубе» по принципу работы напоминает похожие агрегаты, построенные по немного иной схеме. Его назначение – нагрев или отвод тепла от теплоносителя в установках бытового (отопление) и промышленного исполнения. Эти установки применяются в нефтегазовой и химической индустрии.

С помощью теплообменника происходит обмен тепловой энергией между двумя субстанциями, разнесёнными друг от друга. Для этого им нужен посредник – третья среда, переносящая значительную часть этого тепла. Это значит, что одна среда служит нагревателем, и она же может выступать в роли охладителя.

Тепло может передаваться поверхностным, регенеративным или смешивающим методом. В первом случае теплоносители разделены между собой при помощи стенки с высокой теплопроводностью. Второй метод основан на последовательном и циклическом нагревании и охлаждении отдельного модуля или детали.

Теплообменник, в котором одна труба меньшего диаметра помещена в другую побольше, относят к поверхностным устройствам. Сложности в построении таких теплообменников особой нет. При наличии нескольких секций одновременно внешние трубы соединяются, как и внутренние, с такими же. Соединение внешней трубы с внутренней не допускается. И внешние, и внутренние трубы могут быть соединены при помощи съёмных (как правило, фланцевых) патрубков. В результате система образует собой упорядоченный и законченный жидкостный тракт. Энергоносителем, переносящим тепло, может быть вода, техническое масло, инертные газы и иные неагрессивные к стали и алюминиевым сплавам среды. Разъёмные соединения позволяют производить сливание жидкости и прочистку всех пустот внутри конструкции. Внутренние трубы по сравнению с наружными обладают сравнительно небольшим диаметром, это позволяет теплоносителю перемещаться по ним заметно быстрее, чем по внешнему контуру с секциями большего диаметра.

Простота построения подобной системы не требует привлечения инженеров-сантехников. Для этого достаточно лишь знаний, полученных из школьного курса термодинамической физики. Высокая скорость доставки теплоносителя по трубопроводам даёт возможность подобрать оптимальный диаметр трубопроводов, чтобы данная система давала заметную отдачу. Разъёмность и возможность перенести теплообменник (и), простота очистки каналов в системе также не требуют привлечения специалистов – а срок службы возрастает при проведении плановых чисток. Кроме воды, часто применяют газ и пары – те так же хорошо переносят тепло. Но, кроме преимуществ, изъяны у теплообменников также имеются.

1. Большой вес. Недостаток этот является следствием внушительных размеров.

2. Не всегда имеется возможность выделить свободное место в помещении для установки такого модуля.

3. Дороговизна. Хотя трубы производятся главным образом из среднелегированных средне- и низкоуглеродистых сталей, железо, стальные сплавы в больших количествах стоят ощутимо дорого. Когда речь заходит о стокилограммовой секции, количестве этих секций, то сталь уже не кажется дешёвым решением.

4. Необходимость точного расчёта характеристик в соответствии с параметрами строений и их помещений. Не тщательный просчёт значений параметров приведёт к тому, что в комнате или нежилом помещении будет либо слишком жарко, либо слишком холодно.

Ввиду всех вышеперечисленных факторов, общий ценник на монтаж останется далеко не низким.

Теплообменники по своим рабочим значениям рассчитываются исходя из типа конструкции и способа передачи тепла.

Теплообменный аппарат как самостоятельное устройство может считаться либо рекуператором (обмен теплом через стенку), либо регенератором (две среды с разными температурами соприкасаются с одной и той же стенкой).

Змеевик – в несколько раз меньшая по диаметру трубка, навитая на дымоход. Такая конструкция часто используется в бане или душевой. По мелкой трубке движется вода – она забирает на себя жар, передаваемый дымоходу от разогретых отработанных газов.

Труба в трубе – уже знакомая вам конструкция. Меньшая труба проходит в большей. Усовершенствованный вариант – спиральные теплообменники. Такой агрегат выполнен в качестве навитой меньшей по диаметру трубы по стенкам большей – изнутри.

Цилиндр – насажен на дымоход. Внутренние стенки цилиндра соприкасаются со стенками дымохода. Пример – знакомый всем плоскоцилиндрический бак для бани, через который проходит дымоход, нагревающий воду в этом бачке.

Кожухотрубные – резервуар со вставленными трубками, число которых может достигать сотен. Теплоноситель с большей температурой перемещается по этим трубкам. Другое пустое пространство, не занятое этими трубками, заполнено циркулирующей по другому контуру водой. Такой вид теплообменников относят к многопоточным: трубопроводы внутри можно сделать независимыми, от разных контуров подачи тепла.

Пластинчатые – эти конструкции напоминают радиатор. Однако вместо сплошных пластинок в них вставлены канальные – плоского типа, по которым перемещается теплоноситель. Пространство, не занятое этими пластинчатыми модулями, как и в предыдущем случае, заполнено перемещающейся водой, которая и служит теплосъёмником. Оптимальным режимом работы считается состояние, при котором оба теплоносителя движутся встречно-параллельно.

При расчёте «трубы в трубе» в первую очередь учитывают теплопроводность материала, а также его механическую прочность. Обе характеристики должны быть оптимально сбалансированы. По коррозионной устойчивости лучшим решением принята нержавейка – сталь, в которой содержится минимум 13% хрома (по массе). Однако, прежде чем просчитать значение длины, надо учесть такие параметры, как:

• температурная разность потенциалов теплоносящих сред;

• теплонагрузка от потребителя;

• коэффициент теплопередачи между стенками агрегата и теплосредой;

• теплорезистентность материала, из которого изготовлены трубопроводы;

• площадь теплопередающих поверхностей;

• гидравлические параметры агрегата;

• механическая нагрузка на трубы системы отопления.

Делать габариты системы необоснованно завышенными не рекомендуется – это отразится на простоте обслуживания установки. Длина теплообменных секций рассчитывается в соответствии с кубатурой и квадратурой помещения (или всего строения), которое потребуется обогреть, а также со значениями вышеперечисленных параметров. Слишком длинная секция теплообменника создаст чрезмерную теплонагрузку на котёл или колонку. А вот дровяная печь, от теплообменника которой теплом снабжается самостоятельно построенная вами система, не пострадает: если тепла не будет хватать, то нагреваться собранный вами теплообменник будет недостаточно быстро. Если же расчётная рабочая мощность первичного нагревателя оказалась заметно больше, необходимо воспользоваться встроенным терморегулятором – и выставить нагрузку на котёл, печь или колонку оптимально, чтобы вода в теплообменных контурах не вскипала.

Чтобы смонтировать систему «труба в трубе», выполните следующие шаги.

• Сверяясь по чертежу, распилите трубу большего и меньшего диаметра на отрезки.

• Согните промежуточные отрезки трубы в Г-образные колена, и приварите к ним ответные стороны фланцев.

• Наденьте на основные отрезки трубы (для теплоносителя) секции внешней трубы. Укрепите внешнюю трубу на внутренней с помощью фланцев, внутренний диаметр которых совпадает с внешним диаметром внутренней трубы. Все соединения делаются сварными.

• Изготовьте патрубки для внешней трубы. Можно взять трубу, гораздо меньшую по диаметру, чем отрезки той, из которой изготавливается внешний контур. Можно взять, к примеру, ту же самую трубу, которая использована для внутреннего контура. Прорежьте отверстия в секциях внешнего контура, и закрепите эти патрубки при помощи всё той же сварки. Наварите на патрубки фланцы.

• Проверьте герметичность всех швов, и начните собирать теплообменник. Если он монтируется на несущей стене здания или постройки – располагайте секции вертикально, одну над другой, но так, чтобы патрубки при помощи фланцев соединялись плотно. Не забудьте установить уплотнители (например, резиновые прокладки), чтобы теплоноситель не вытекал наружу. Проверяйте уровнемером вертикальность сборки и параллельность секций, расположенных друг над другом.

• Когда основная часть – внешний контур – будет собран, дособерите внутренний, изготовив колена из трубы меньшего диаметра, применявшейся для внутреннего трубопровода в секциях. На все отрезки меньшей трубы, включая секции внутреннего контура, наварите фланцы соответствующего диаметра. Поставьте прокладки, и соберите внутренний контур.

• Подведите трубопроводы к внешнему и внутреннему контуру в соответствии с вашим проектом. Система собрана. Протестируйте, залив в оба контура теплообменную жидкость – в простейшем случае это вода. Запустите газовый котёл или колонку, дровяную печь или электронагреватель, выполняющий роль первичного источника тепла. Для водяных систем, работающих без искусственного нагнетания давления, должны быть установлены расширительные бачки с патрубком, кран на котором должен быть слегка приоткрыт.

Перед тем как использовать собранный теплообменник, проверьте, насколько быстро нагревается вода во внутреннем контуре от газовой колонки или котла, электронагревательной установки. .