Основные виды теплообменников в печь и его способы установки

Виды ТО

Схема и принцип работы рекуперативного теплообменника

По принципу работы оборудование делится на рекуперативное и регенеративное. В первых движущиеся теплоносители разделены стенкой. Это самый распространенный вид, он может быть различных форм и конструкций. Во втором случае с одной и той же поверхностью по очереди контактируют горячий и холодный теплоносители. Высокая температура нагревает стенку оборудования во время контакта с горячей средой, далее температура передается холодной жидкости при контакте с ней.

По назначению ТО делятся на два вида: охладительные – работают с холодной жидкостью или газом, остужая при этом горячий теплоноситель; и нагревательные – взаимодействуют с разогретой средой, отдавая энергию потокам холодной.

По конструкции теплообменники бывают нескольких видов.

Разборные

Состоят из рамы, двух концевых камер, отдельных пластин, разделенных термостойкими прокладками и крепежных болтов. Такое оборудование отличается простотой очистки и возможностью увеличения эффективности путем добавления пластин. Но разборные ТО чувствительны к качеству воды. Для продления срока их службы требуется установка дополнительных фильтров, что увеличивает стоимость проекта.

Пластинчатые

Пластинчатый теплообменник нуждается в установке дополнительных фильтров на теплоноситель

Отличаются методом соединения внутренних пластин:

• В паяных ТО гофрированные пластины из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм сделаны путем холодной штамповки. Между ними устанавливается прокладка из специальной термостойкой резины.
• В сварных пластины свариваются и образуют кассеты, которые затем компонуются внутри стальных плит.
• В полусварных ТО кассеты скрепляются посредством паронитовых соединений в конструкции из небольшого количества сварных модулей. Эти модули уплотняются резиновыми прокладками и соединяются лазерной сваркой. После чего собираются между двумя плитами при помощи болтов.

Пластинчатые теплообменники используются в условиях повышенного давления и экстремальных температурах. Такие устройства требуют минимального технического обслуживания, экономичны и отличаются высокой эффективностью. Кроме того, по необходимости можно увеличить или уменьшить эффективность оборудования путем увеличения или уменьшения количества стальных пластин.

Единственным недостатком теплообменника из гофрированной нержавейки служит чувствительность к качеству теплоносителя, необходима установки дополнительных фильтров.

Кожухотрубные

Состоят из цилиндрического корпуса, куда помещены пучки трубок, собранных в решетки. Концы труб крепятся развальцовкой, сваркой или пайкой. Достоинством такого оборудования служит нетребовательность к качеству теплоносителя и возможность использования в технических процессах, где присутствуют агрессивные среды и высокое давление (в нефтяной, газовой, химической промышленности). Недостатки кожухотрубных ТО – относительно низкая теплоотдача, большие габариты, высокая стоимость и сложность в ремонте.

Спиральные

Состоят из двух листов металла, свернутых в спирали. Внутренние края соединены перегородкой и закреплены штифтами. Такие теплообменники компактны и обладают эффектом самоочистки. Они способны работать с жидкими неоднородными средами, любого качества. При повышении скорости движения жидкости, увеличивается интенсивность теплообмена. Недостатки: сложность в изготовлении и ремонте, ограничение давления рабочей жидкости до 10 кгс/см².

Двухтрубные и труба в трубе

Схема теплообменника «труба в трубе»

Первые состоят из труб разного диаметра. В качестве теплоносителя используется жидкость и газ. Устройства используются в местах с повышенным давлением, имеют высокий уровень теплоотдачи. Отличаются простотой монтажа и обслуживания. Единственный недостаток – высокая стоимость.

Теплообменник «труба в трубе» состоит из двух труб разного диаметра, соединенных между собой. Они используются при небольшом расходе теплоносителя и чтобы оборудовать дымоход.

Плюсы и минусы котла со скелетным теплообменником

У печей оборудованных водяным контуром, которые используются для обогрева индивидуального коттеджа, существуют как преимущества, так и недостатки. Собственнику жилья необходимо их учитывать, перед тем как принимать решение об установки такого источника нагрева.

Кроме того потребуется выбрать размеры топки, которые по тепловым показателям обеспечат надежное отопление дома. При использовании твердого топлива объем топочной камеры должен обеспечить работу источника в течение 8-12 часов от одной загрузки.

Преимущества печи со скелетным теплообменником:

1. Низкие удельные нормы расхода топлива на выработку тепловой энергии по сравнению с обычными печами.
2. КПД печи с водяным отоплением может достигать КПД твердотопливного котла.
3. Низкая стоимость монтажа и установки за счет использования имеющейся печи и дымоотводящих каналов.
4. Возможность обвязки контура отопления с внутридомовой отопительной системой.
5. Конструктивная возможность интегрировать печь в существующий дизайн помещения.

К минусам печей со скелетным теплообменником, работающих на твердом топливе, можно отнести необходимость постоянного обслуживания печи по загрузке топлива, отсутствие системы защиты и регулирования. В связи с этим в помещении могут создаваться зоны недогрева или перегрева.

Разновидности по конструкции

По месту расположения теплообменники бывают внутренними и внешними.

Внешние

Размещается возле дымохода. Это емкость, которая «окружает» дымоход. Нагрев теплоносителя происходит за счет тепла, которое выделяют продукты при сгорании.

Внутрь емкости помещают часть трубы, которая отводит продукты горения. За такими теплообменниками проще ухаживать. Они легко демонтируются для очищения от накипи и устранения дефектов.

Внутренние

Это емкость, расположенная внутри печи, непосредственно над топкой. Устройство легко установить, но если появится необходимость очистить прибор от накипи или устранить дефекты, возникнут проблемы.

Инструкция по постройке печного отопления с водяным контуром

1. Роется яма.
2. Закладывается «подушка», состоящая из битого кирпича, щебенки и бута средних размеров. Ширина этого слоя равна примерно 20 см. Природные материалы утрамбовываются и заливаются цементным раствором.
3. Производится укладка кирпича. Он ложится в два ряда на цемент, а сверху застилается гидроизоляционным слоем из рубероида, пергамента и толи.
4. Возводится фундамент из кирпича на глиняном растворе.

1. Укладывается первый сплошной ряд. Во втором ряду начинает формироваться зольная камера, для которой устанавливается специальная дверца. Третий ряд повторяет предыдущий.
2. Формируется четвертый ряд. Он служит основанием для топливной камеры из огнеупорного кирпича, на нем предусматриваются пазы для установки колосниковой решетки.
3. Устанавливается П-образный котел, выполненный из стали. К нему приварены два патрубка – один сверху для подачи, другой снизу для обратки. Также в нем выполняется прямоугольное отверстие, через которое будут выходить разогретые газы.
4. Укладывается пятый ряда. В нем нужно предусмотреть каналы за боковой и задней стенкой котла. К ним устанавливаются две небольшие дверцы для прочистки от сажи.
5. Формируется шестой ряд, в котором предусмотрено отверстие между зазорами, выполненными в предыдущем ряду. Это подсосный канал для повышения тяги в отопительной печи. Здесь же осуществляется установка дверцы для топливной камеры.
6. Выкладывается стена. Нужно учесть, что вокруг дверцы, идущей в камеру сгорания, и над топливным котлом укладывается огнеупорный кирпич.
7. Устанавливаются чугунные плиты, на которых можно будет готовить пищу. На входе отопительно-варочнойкамеры прикрепляется металлический уголок.
8. Формируются камеры, а на задней поверхности выполняется канал, и устанавливаются дверцы.
9. Перекрываются металлической полоской фасад варочнойкамеры в 16 ряду. А затем она сама перекрывается укладкой кирпича на специально проложенные металлические полоски.
10. Устанавливается паро-вытяжная задвижка для вентиляции печи и формируется верхний газоход.
11. Укладывается 35 ряда, на котором начинается возведение дымоходной трубы.

Некоторые хотят использовать уже готовое устройство печи или камин, комбинируя с водяным контуром. В таком случае придется разбирать их почти до основания, чтобы установить регистр.

кран Маевского

Устройство водяного отопления

Водяные контуры, нагреваясь от топлива, подогревают установку, нагреваются дымовые каналы, стенки отопительного агрегата. К отопителю подключают батареи, которые становятся теплыми в процессе сгорания горючего в топке. Нагретый агрегат обеспечивает теплом помещение, пока стенки полностью не остынут.

Элементы:

• печь;
• теплообменник, находящийся внутри, вокруг приспособления в виде змеевика;
• водяные контуры, размещенные по периметру помещения.

Устройство прибора

Отопительная установка, нагревающая водяные контуры, более доступна, если сравнивать с другим оборудованием для нагрева воздуха.

Схема циркуляции воды в контуре

Отопительная система построена по схеме естественной циркуляции теплоносителя по водяным контурам. Прибор устанавливают в центре помещения, по кругу располагают подводящие трубы, подключенные к основному очагу нагрева.

Устройство будет эффективно нагревать помещения и обеспечивать комфортную температуру. Дома, состоящие из нескольких ярусов, невыгодно оборудовать устройством долгого горения. Придется устанавливать большую печь, присоединяя много радиаторов, это дорого, не эффективно.

Стандартная установка с подключенными радиаторами состоит из:

• теплообменника;
• трубопровода из металлического контура;
• радиаторов, толстых труб;
• расширительного бака.

Оборудование при одноразовой закладке топлива будет обогревать дом двенадцать часов.

Печь – кирпичная или металлическая

Из какого материала лучше строить устройство длительного нагревания? Чаще выбирают кирпичную или металлическую конструкцию.

Кирпичная нагревается дольше, но теплоотдача длительней. Стальное оборудование длительного горения, наоборот, нагревается быстро, а остывает за короткий отрезок времени.

Кирпичная топка

Кирпичная установка тяжелая, должна быть капитальной, с фундаментом, дополнительными креплениями. Лучше устанавливать на этапе строительства дома.

Если планируется постоянное проживание в доме, подойдет кирпичная печь. Прибор отопления дорогой, сложен в монтаже, однако, имеет высокий коэффициент полезного действия.

Металлическая печь с подключенными водными радиаторами бюджетная. Конструкции недолговечны, однако подойдут для нерегулярного нагрева воздуха в доме.

Агрегат из металла

Выбор зависит от пожеланий хозяина жилого пространства, если хочется возвести систему отопления надолго, лучше выбрать кирпичную конструкцию.

Трубы – нержавейка или металлопластик

Если используются конструкции с водяными контурами, можно выбрать стальные, металлопластиковые или полипропиленовые трубы.

Металлопластиковые трубы популярны. Однако, если нет уверенности, что температура нагреваемой воды не превысит 95 градусов по Цельсию, лучше установить термоустойчивые трубы из нержавейки.

Теплоотдача – радиаторы или регистр

Медленное поступление тепла в контуры обеспечивает длительный обогрев помещения, нужно подсоединить правильные теплообменники для установленного основного прибора.

Выбор теплообменника

Если оборудование установлено правильно, по предварительно продуманной схеме, оба теплообменника будут обеспечивать дом теплом.

Подбираем теплообменник для топки

Чаще изготавливают из стали, чугуна, меди. Теплообменник из меди качественный, но цена слишком высока. Да и самостоятельно спаять устройство сложно.

Чугун по характеристикам лучше, чем сталь. Сделать собственными руками теплообменник сложно. Если взять готовую батарею, при сгорании горючего в топке будет постепенно выгорать уплотнитель, расположенный между секциями. Это увеличивает риск утечки воды в топку, существенно снизит коэффициент полезного действия печи. Чугунную батарею сложно почистить изнутри от сажи.

Стальной змеевик или рубашка из листового металла, самый выигрышный вариант. Конструкцию просто собрать, соединив несколько элементов.

Компоненты отопительной системы

Чаще всего для жилых домов используются водяные системы отопления. Такой подход к решению задачи является традиционным. У него есть один неоспоримый плюс — это универсальность. Тепло проходит во все уголки помещения благодаря особому свойству теплоносителя. Нагрев его доступен при помощи различных энергоносителей. Также водяная система позволяет обустраивать комбинированные виды отопления, когда энергоносителей несколько, и все они отличаются по свойствам. Любую систему отопления можно условно поделить на такие составные компоненты:

• источник тепла;
• сеть труб с арматурой и дополнительным оборудованием;
• отопительные радиаторы и теплые полы.

Чтобы урегулировать работу теплоносителя, используется запорно-регулирующая арматура и дополнительное оборудование. Последнее объединяет такие элементы:

• циркуляционный насос;
• гидрострелка;
• расширительный бак;
• распределительный коллектор;
• буферная емкость;
• средства и приборы, необходимые для автоматизации;
• бойлер косвенного нагрева.

Дополнительные объемы воды могут создать определенное давление на области соединения, если она находится в замкнутом пространстве. Чтобы избежать такой ситуации, в сети устанавливается расширительная емкость. Она берёт на себя всю лишнюю воду. Выделяют ёмкости мембранного и открытого типа.

Бойлер косвенного нагрева — это особый резервуар, оснащенный змеевиком. Нагрев воды для бытовых нужд осуществляется здесь непосредственно от теплоносителя. Чтобы контролировать показатели давления воды и температуры, устанавливается манометр. Контроль над показателями теплоносителя осуществляется при помощи автоматизированных средств, контроллеров и датчиков.

Правильный выбор котла

Сегодня выпускаются различные виды котлов с тем или иным типом топлива и энергоносителями. Основными разновидностями бытовых теплогенераторов считаются:

• газовые;
• твердотопливные;
• электрические.

Есть модификации, работающие на жидком топливе. На твердом топливе работают котлы прямого горения. То же касается пеллетных и пиролизных котлов. Такие котлы востребованы, так как эксплуатация их предполагает низкие затраты. Это уголь и дрова, которое стоят относительно недорого. Есть вероятность подключения природного газа, но это дорогое удовольствие. Люди предпочитают покупать угольные и дровяные устройства.

Для начала, нужно подобрать котёл

Эксплуатация источника тепла, который работает на твердом топливе, чем-то напоминает простое печное отопление. Надо отыскать дрова, тратить силы и время, загружать их в топку. Обычно твердотопливные котлы имеют некую инерционность. Это означает, что нагрев воды после закрытия воздушной заслонки будет прекращаться постепенно. Полученную энергию удастся использовать эффективно только, если есть тепловой аккумулятор. Самым лучшим вариантом является теплогенератор на пеллетах. Но такое оборудование стоит достаточно дорого, что делает его недоступным для широких слоев граждан.

Рекомендации по эксплуатации

Не будет лишним изучить общие правила безопасной эксплуатации:

Для уплотнения используют только материалы, способные выдержать высокую температуру.
Нежелательно наливать воду внутрь печки с теплообменником, когда она уже разогрелась до определённой температуры.
Выносной бак подбирают так, чтобы вода была готова в максимально короткие сроки

Главное – чтобы теплообменная жидкость не закипала.
Важно проследить, чтобы мощность теплообменника для печи не влияла негативно на эффективность работы печи.
Крепление труб на неподвижные соединения запрещено. Иначе происходит расширение, изменение линейных размеров

И не получится сконструировать эффективный теплообменник для кирпичной печи.

Естественный теплообмен обустраивают так, чтобы холодная вода стекала вниз, а горячая таким же образом поднималась наружу.

Расчеты мощности

Самостоятельно рассчитать мощность рекуператора при отсутствии исходных данных (мощности печи, температуры и количества исходящих газов в единицу времени, площади соприкосновения теплообменника и металла дымохода, скорости прохождения воздуха или воды через устройство) практически невозможно. Можно измерить мощность уже смонтированного теплообменника.

Ориентировочно стоит рассчитывать на то, что теплообменник на дымопроводе твердотопливной печи или камина прогреет пару небольших радиаторов, повысит температуру в гараже или сделает теплее комнату в мансарде, предбанник в бане.

Что такое печь-котел для отопления дома

Данная конструкция представляет собой выложенный из кирпича корпус, внутри которого вмонтирован теплообменник. По его каналам циркулирует вода, которая, нагреваясь до высокой температуры, растекается по трубопроводу к радиаторам. В качестве основы этого оборудования зачастую используется имеющаяся в доме печка. Для увеличения эффективности системы над её топкой встраивается дополнительный контур. Таким образом, передача тепла производится одновременно двумя способами

1. прямым, когда излучение происходит от горячих стен печи
2. косвенным, при котором пространство отапливает вода, поступающая в приборы

Собрать такую конструкцию можно самостоятельно, не прибегая к профессиональной помощи.

Чугунная печь в гараж

Отопительный прибор из чугуна не требует установки теплообменника. Кроме того, что чугун сам довольно долго держит тепло, так еще можно выбрать двухкамерную печь длительного горения. В ней сжигаются не только уголь или дрова, но и продукт горения – пиролизный газ. Одной закладки хватает на 3–4 часа.

Печь имеет воздушные каналы с несколькими коленами, за счет чего увеличивается теплоотдача, а, соответственно, время остывания.

Печи – «буржуйки» длительного горения.

Такая печка занимает мало места, легко переносится, не требует специально подготовленного основания. Единственным недостатком является увеличенная высота дымохода, ну и стоимость прибора немного выше, чем у аналогичных устройств из других материалов.

В гараже проще поставить эффективную и экономичную печь из чугуна, чем выкладывать из кирпича или сооружать из металла, для периодического пользования этот долговечный вариант может оказаться самым выгодным. Чугунная печь в Москве, вообще, может быть порой самым оптимальным вариантом.

Способы увеличения КПД

Печи-буржуйки изготавливаются различных форм и размеров. Но их объединяет один недостаток — низкой коэффициент полезного действия. Более половины тепловой энергии, в прямом смысле слова, вылетает в трубу. Нерациональное использование тепла привело к тому, что владельцы этих отопительных приборов начали задумываться о возможных изменениях конструкции печи для повышения ее эффективности. Решением этой проблемы могла стать частичная модернизация буржуйки. Единой концепции решения этого вопроса не было, и каждый обладатель печи стал самостоятельно, методом проб и ошибок, решать проблему.

Увеличение КПД буржуйки — это получение дополнительного количества тепла от отопительного прибора при неизменном количестве сожженного топлива. Этого можно добиться несколькими способами:

• изменением теплопередающей поверхности,
• увеличением теплосъема;
• использованием более калорийного топлива;
• увеличением теплоемкости печи.

Буржуйка отдает тепло в окружающее пространство не только корпусом, но и металлической дымовой трубой. Увеличить поверхность теплопередачи прибора можно, пересмотрев его размеры в большую сторону. Такой вариант возможен при создании печи своими руками. Имея уже изготовленную буржуйку, выполнить его можно другим способом. Обычно к дымоходу из металлической трубы приваривают уголок. Располагают его вершиной к элементу по всей длине. Установку уголка проводят вокруг трубы. Таким образом, площадь теплопередающей поверхности можно увеличить в 3-4 раза, в зависимости от размеров уголка.

Другим вариантом увеличения поверхности теплопередачи является изготовление дымовой трубы, проходящей внутри помещения большой площади. Для этого изготавливают дымоход с поворотами. Их выполняют в виде плавных переходов. Создавать повороты под прямым углом нежелательно, так как буржуйка может начать дымить. Последний участок дымохода устанавливается вертикально. На нем делают карман с лючком для чистки сажи.

Преимущества

Установка водяного контура в систему печного отопления позволяет повысить эффективность расходования топлива.

Для владельцев недвижимости данный метод обеспечивает дополнительные преимущества:

• простота изготовления (кирпичные печи часто монтируются в жилых домах, и для качественного распределения энергии достаточно изготовить самодельный теплообменник, подключив его к отопительной системе здания);
• комбинированный обогрев за счет теплого воздуха из печи и горячей воды из батарей;
• разнообразие видов горючего (большинство котлов для отопления использует только один вид энергоносителя, который может быть дорогим и малоэффективным, а теплообменник кирпичной печи работает за счет любого твердого топлива);
• приятный внешний вид (проектирование загородного дома нередко происходит в национальном стиле, но монтаж теплообменных узлов не нарушает традиционного вида русской печи).

Особенности кирпичной печи с котлом водяного отопления

С глубокой древности люди обогревали дома дровами. Это дешевый и эффективный способ организации системы отопления, который пользуется спросом и сегодня. В городах и коттеджных поселках, где отсутствует центральная газификация, печные системы становятся достаточно востребованными. Однако они не способны прогреть большое помещение с несколькими этажами, мансардой и подвалом.

Для увеличения КПД от горения дров можно подключить к печи водяной контур. Он обеспечит равномерное распределение тепла по всем частям здания и предоставит доступ к горячей жидкости для бытовых нужд.

Характеристики системы

При выборе печной системы для дома необходимо уточнить следующие ее параметры:

1. Мощность. Производительность установки влияет на ее габариты и вес. Если печь небольшая, то для нее не нужно обустраивать прочный фундамент. Для более массивных агрегатов требуется надежное основание.
2. Обогреваемая площадь. Она определяет эффективность отопления. Для 50 куб. м помещения нужен котел мощностью 2 кВт.

Устройства с водяным контуром используются в коттеджах площадью более 180 кв. м.

Принцип работы

Помимо отсека для загрузки топлива в печи установлен теплообменник. Он вмонтирован в дымоход или топку. Вода, проходящая через регистр, подвергается нагреву, затем отправляется в трубы и радиаторы, обеспечивая эффективную теплоотдачу. Циркуляция жидкости в контуре создается разницей температур либо насосом.

Устройство печи из кирпича с котлом водяного отопления.

В процессе нагрева вода увеличивается в объеме, поэтому для исключения взрыва оборудования используется расширительный резервуар. В моделях с закрытым контуром его устанавливают в любых удобных местах. Если речь идет об открытых системах, емкость находится на максимальной высоте.

Давление стравливается с помощью автоматического воздухоотводчика.

Преимущества

У печей с водяным теплоносителем есть несколько положительных качеств:

1. Энергоэффективность и экономичность. Для возведения конструкции не нужны большие финансовые затраты. При этом для закупки дров на весь зимний сезон придется потратить не больше 5–10 тыс. руб.
2. Дизайн. Печи дополняют интерьер любого помещения и скрывают дефектные участки.
3. Автономность и независимость от магистралей газоснабжения. Сооружение можно обустроить в любом доме независимо от его расположения.

Варианты установки теплообменной конструкции

Установка теплообменного устройства любого вида предполагает проведение немалого объема работ, особенно если его эффективность имеет серьезное значение. Например, простейшая спираль на дымоходе может слабо прогреваться, а циркуляции без насоса не быть совсем. Тогда приходится принимать меры, вплоть до отказа от такой конструкции. На практике один теплообменник для печи, установленный в разных местах, выдает разный КПД. Условно можно составить такой ТОП, начиная с самой эффективной разновидности:

• чугунный или стальной П-образный регистр в топке;
• водяная рубашка вокруг топки или у какой-либо из ее поверхностей;
• П-образный дипломат в топке;
• дипломат непосредственно над топкой или за ней, с максимальным контактом;
• водяная рубашка вокруг каменки;
• регистр, дипломат или змеевик в каменке;
• дипломат или змеевик за каменкой;
• водяная рубашка на дымоходе.

Змеевик на дымоходе условно является наименее эффективным вариантом. Однако простота устройства нередко нивелирует недостатки. К тому же, КПД повышается различными способами. Среди них – обкладка змеевика термоизолированным кожухом с заполнением пустот песком либо установка конструкции прямо в каменку.

Все названия условны. Например, нередка такая заводская конструкция, когда емкость кубической формы встроена над каменкой. Ее можно считать рубашкой или дипломатом.

Правильное подключение

Дровяная печь или камин с любым теплообменником – это лишь часть системы. Для ее энергоэффективной работы ключевым фактором остается циркуляция теплоносителя. Даже когда применение насоса явно необходимо (например, в большом двух- или трехэтажном доме), естественная циркуляция – важная вещь. Благодаря ей трубы не полопаются из-за разморозки слишком быстро, и вода так просто не закипит, если отключится электричество. Для улучшения циркуляции желательно придерживаться следующих правил:

• чем выше разбег патрубков теплообменного устройства по высоте, тем лучше;
• расширительный бак ставят как можно выше, рядом с печкой;
• к баку идет труба с верхнего патрубка;
• труба от расширительной емкости идет к нижнему входу радиатору;
• все горизонтальные участки делают под наклоном (не меньше 3 мм на 1 м);
• выход с радиатора только с противоположной стороны или по диагонали.

Еще один важный момент – проходимость трубопровода. Чем она выше, тем лучше. Поэтому не стоит сужать диаметр, встраивать лишние колена, арматуру, а также применять ржавые изнутри или пластиковые трубы.