Výměníky tepla HVAC vysvětleny. V tomto článku se budeme zabývat různými typy výměníků tepla, které se používají v aplikacích HVAC a stavebních službách pro obytné i komerční nemovitosti. Podíváme se také na to, jak se používají na součásti systému pro úpravu prostředí budov, přičemž pokryjeme princip fungování běžných výměníků tepla pro HVAC s animacemi.
Přejděte na konec a podívejte se na výukové video – obsahuje podrobné animace pro každý výměník tepla!
🏆 Podívejte se na širokou škálu výměníků tepla Danfoss v reálném světě, klikněte zde
Výměníky tepla Danfoss zvyšují účinnost, snižují náplň chladiva a šetří místo v systému HVAC. Celý sortiment a další informace o jednotlivých výměnících naleznete na webových stránkách společnosti Danfoss. Další informace o výměnících tepla Danfoss: odkaz zde
Co je to výměník tepla?
Výměník tepla je přesně to, co naznačuje jeho název, zařízení sloužící k přenosu (výměně) tepla nebo tepelné energie. Do výměníků tepla se dává buď horká kapalina, která zajišťuje ohřev, nebo studená kapalina, která zajišťuje chlazení.
- Kapalina může být kapalina nebo plyn
- Teplo vždy proudí z horké do studené
- Pro tok tepla musí být rozdíl teplot
Jak se teplo vyměňuje?
Tepelná energie se přenáší třemi způsoby.
- Kondukcí
- Konvekcí
- Sáláním
Většina výměníků tepla pro účely HVAC využívá konvekci a kondukci. K přenosu tepla sáláním sice dochází, ale tvoří jen malé procento.
Přenos tepla vedením
Kondukce nastává, když se dva materiály o různých teplotách fyzicky dotýkají. Například položíme-li horký šálek kávy na stůl na několik minut a pak šálek odstraníme, stůl část této tepelné energie odvede.
Přenos tepla konvekcí
Konvekce nastává, když se tekutiny pohybují a odvádějí tepelnou energii. K tomu může docházet přirozeně nebo mechanickou silou, například pomocí ventilátoru. Příkladem může být foukání na horkou lžíci polévky. Foukáte na lžíci, abyste polévku ochladili, a vzduch toto teplo odnáší pryč.
Přenos tepla sáláním
Sálání nastává, když povrch vyzařuje elektromagnetické vlny. Všechno, včetně vás, vyzařuje určité množství tepelného záření. Čím je povrch teplejší, tím více tepelného záření vyzařuje. Příkladem může být Slunce. Teplo ze Slunce se šíří jako elektromagnetické vlny vesmírem a dostává se k nám, aniž by mezi nimi bylo cokoli jiného.
Používané kapaliny
Kapaliny používané v systému HVAC obvykle zahrnují vodu, páru, vzduch, chladivo nebo olej jako přenosové médium. Výměníky tepla HVAC obvykle dělají jednu ze dvou věcí, buď ohřívají, nebo chladí vzduch, nebo vodu. Některé se používají k chlazení nebo ohřevu zařízení z výkonových důvodů, ale většina se používá ke klimatizaci vzduchu nebo vody.
Typy výměníků tepla.
Většina výměníků tepla má jedno ze dvou provedení. Buď spirálové, nebo deskové provedení. Podívejme se na základy fungování obou z nich a poté se podívejme, jak se uplatňují u běžných výměníků tepla v systémech.
Cívkové výměníky tepla – zjednodušeně
Cívkové výměníky tepla ve své nejjednodušší podobě používají jednu nebo více trubek, které několikrát procházejí tam a zpět. Trubka odděluje dvě kapaliny. Jedna kapalina proudí uvnitř trubky a druhá proudí na vnější straně. Podívejme se na příklad vytápění. Teplo se přenáší z horké vnitřní kapaliny na stěnu trubky konvekcí, poté se vede stěnou trubky na druhou stranu a vnější kapalina ho odvádí rovněž konvekcí.
Deskové výměníky tepla – zjednodušeně
Deskové výměníky tepla používají k oddělení dvou kapalin tenké kovové desky. Kapaliny obvykle proudí v opačných směrech, aby se zlepšil přenos tepla. Teplo nejteplejší kapaliny je konvekcí odváděno na stěnu desky a následně vedeno na druhou stranu. Druhá kapalina, která do ní vstupuje s nižší teplotou, ji pak odvádí konvekcí.
Podívejme se podrobněji na to, jak se tyto typy výměníků tepla používají v aplikacích HVAC.
Cívka s opláštěnými trubkami (kapalina)
Opláštěné trubky se často označují jednoduše jako cívka, např. topná nebo chladicí cívka. Ty jsou mimořádně běžné. Najdete je ve vzduchotechnických jednotkách, fan-coilech, potrubních systémech, výparnících a kondenzátorech klimatizačních systémů, na zadní straně chladniček, ve výkopových ohřívačích, výčet je dlouhý.
U těchto výměníků tepla voda, chladivo nebo pára obvykle proudí dovnitř a vzduch proudí ven.
Příklad při použití pro ohřev vzduchu pomocí ohřáté vody proudí horká voda uvnitř trubky a předává svou tepelnou energii konvekcí na stěnu trubky, mezi horkou vodou a vzduchem je rozdíl teplot, takže teplo je vedeno stěnou trubky. Vzduch, který prochází zvenčí, ji odvádí konvekcí.
Mezi všemi trubkami se obvykle připojují žebra, která se nacházejí přímo v dráze proudění vzduchu a pomáhají vytahovat teplo z trubky a dostávat ho do vzduchu, protože působí jako prodloužení povrchu trubky. Větší povrch = větší prostor pro přenos tepla.
Deskový výměník tepla
Deskové výměníky tepla se používají ve vzduchotechnických jednotkách k výměně tepelné energie mezi proudy nasávaného a odváděného vzduchu bez přenosu vlhkosti a bez míchání proudů vzduchu. Výměník tepla je vyroben z tenkých plechů, obvykle hliníkových, přičemž obě kapaliny o různých teplotách proudí v opačných diagonálních směrech. Obvykle se v obou proudech používá vzduch, ale lze použít i výfukové plyny například z kogeneračního motoru.
Teplo z jednoho proudu je konvekcí odváděno na tenké plechy, které proudy oddělují, a následně je vedeno kovem, odkud je nucenou konvekcí odváděno do druhého proudu.
Ohřívač ve výkopu
Ohřívače ve výkopu se instalují po obvodu budovy obvykle pod oknem nebo skleněnou stěnou a jsou velmi časté u nových komerčních budov. Příkopová topná tělesa se instalují do podlahy a jejich účelem je snížit tepelné ztráty skrz sklo a také zabránit tvorbě kondenzace.
Toho dosahují tím, že vytvářejí stěnu konvekčních proudů vzduchu. Příkopová topidla obvykle používají k ohřevu vzduchu teplovodní nebo elektrická topná tělesa. Jejich umístění na úrovni podlahy znamená, že mají přístup k nejchladnějšímu vzduchu v místnosti. Výměník tepla mu předává teplo prostřednictvím žebrované trubky, což způsobuje, že se studený vzduch ohřívá a stoupá ke stropu. Jak tento teplý vzduch stoupá vzhůru, chladnější vzduch v místnosti se žene na jeho místo. Tím se vytvoří konvekční proud a tepelná hranice mezi sklem a místností.
Kanálové elektrické topení – prvek s otevřenou spirálou
Otopné prvky s otevřenou spirálou se používají hlavně v potrubních aplikacích, pecích a někdy i ve ventilátorech. Fungují pomocí odkrytých živých spirál z vysoce odporového kovu, které vytvářejí teplo. Tyto tepelné výměníky jsou umístěny přímo v proudu vzduchu a při průchodu vzduchu přes spirály dochází k přenosu tepelné energie konvekcí. Poskytují rovnoměrný ohřev v celém proudu vzduchu, ačkoli se používají pouze tam, kde je to bezpečné a není k nim snadný přístup.
Mikrokanálové výměníky tepla
Mikrokanálové výměníky tepla jsou pokrokem v oblasti žebrovaných trubkových spirál, které poskytují vynikající výměnu tepla, ačkoli se používají pouze pro chladicí a klimatizační systémy. Tento typ výměníků tepla najdete u vzduchem chlazených chladicích jednotek, kondenzačních jednotek, bytových klimatizací, sušiček vzduchu, skříňového chlazení a střešních jednotek atd.
Tento typ výměníků tepla také pracuje s využitím konvekce jako hlavní metody přenosu tepla. Mikrokanálový výměník tepla má jednoduchou konstrukci. Na každé straně je hlavice, mezi jednotlivými hlavicemi probíhá několik plochých trubek s žebry mezi nimi. Mezerami v žebrech prochází vzduch, který odvádí tepelnou energii.
Chladivo vstupuje do hlavice a poté prochází plochými trubkami, dokud se nedostane do druhé hlavice. Hlavice obsahují přepážky, které řídí směr proudění chladiva a slouží k tomu, aby chladivo procházelo trubicemi několikrát, čímž se prodlužuje doba strávená uvnitř a zvyšuje se tak možnost přenosu tepelné energie.
Uvnitř každé ploché trubice je řada malých otvorů známých jako mikrokanálky, které probíhají po celé délce každé ploché trubice. Tyto mikrokanálky výrazně zvětšují plochu povrchu výměníku tepla, což umožňuje, aby se z chladiva do kovového pláště výměníku tepla dostalo více tepelné energie. Teplotní rozdíl mezi chladivem a vzduchem způsobuje, že teplo prochází plochým trubkovým pláštěm a přechází do žeber. Jak vzduch prochází mezerami, odvádí tuto tepelnou energii konvekcí pryč.
Výparníková cívka pece
Výparníky pece se běžně nacházejí ve velkých domech a malých komerčních objektech s malými potrubními systémy. Můžete si pořídit větší cívky, které pracují na podobném principu, ale pro větší systémy většinou pro AHU ve středních a velkých komerčních budovách. Cívka uvnitř výparníku pece funguje stejně jako výměník tepla s žebrovanými trubkami a používá chladivo na vnitřní straně s potrubním vzduchem na vnější straně. Vzduch procházející trubkami předává své teplo nucenou konvekcí, to je pak předáváno stěnou trubek vedením, chladivo na vnitřní straně odvádí toto teplo nucenou konvekcí, chladivo vře a odpařuje se pryč ke kompresoru.
Radiátory
Ty jsou velmi rozšířené zejména v celé Evropě a severní Americe v domácnostech a starších komerčních budovách. Montují se na stěny obvykle pod okna a zajišťují vytápění prostoru. Jejich funkce je velmi jednoduchá, obvykle jsou připojeny k teplovodnímu potrubí, do kterého je přiváděna horká voda z kotle.
Voda vstupuje žlábkem do potrubí o malém průměru a proudí do vnitřku radiátoru. Vnitřní plocha radiátoru je menší než plocha trubky, což zpomaluje rychlost proudění vody, aby bylo více času na předání tepla.
Teplo vody se předává vedením na kovové stěny radiátoru. Na vnější straně radiátoru je vzduch z místnosti. Když se tento vzduch dostane do kontaktu s horkým povrchem radiátoru, teplo se přenese do vzduchu a to způsobí, že se vzduch rozpíná a stoupá. Chladnější vzduch pak proudí dovnitř a nahrazuje tento vzduch, což způsobuje nepřetržitý cyklus pohybujícího se vzduchu, který ohřívá místnost; tento pohybující se vzduch je tedy konvekčním přenosem tepla. Radiátor má obvykle na zadní straně nebo mezi panely připojena nějaká žebra, zejména u nových radiátorů, která slouží pouze k rozšíření plochy radiátoru, aby poskytovala větší možnost přenosu tepla do vzduchu. Radiátory jsou nesprávně pojmenovány, protože přenášejí teplo převážně konvekcí.
Někdy se setkáte se speciálně navrženými radiátory připojenými k parním systémům, ale to je stále méně běžné, dříve se používal také olej, ale to je dnes již poměrně vzácné.
Vodní topné těleso
Vodní topné těleso se obvykle nachází v kalorifech a ohřívačích vody, někdy se také používá v pánvi otevřených chladicích věží, aby voda v zimě nezamrzla. Používají kovovou spirálu podél trubky, která má vysokou hodnotu odporu. Tento odpor vytváří teplo. Cívka je izolovaná, aby zadržovala tok proudu, ale umožňovala tok tepelné energie. Topné těleso je ponořeno do nádrže s vodou a teplo je odváděno z tělesa do vody. Voda, která přichází do styku s topným prvkem, se tedy ohřívá, což způsobuje její stoupání v nádrži, chladnější voda pak proudí dovnitř, aby nahradila tuto ohřátou vodu, kde tento cyklus bude pokračovat.
Rotační kolo
Tento typ výměníků tepla se obvykle nachází ve vzduchotechnické jednotce mezi proudy přiváděného a odváděného vzduchu. Fungují tak, že pomocí malého elektromotoru připojeného k řemenovému převodu pomalu otáčí diskem výměníku tepla, který se nachází přímo v proudu vzduchu mezi odváděným a nasávaným čerstvým vzduchem. Vzduch prochází přímo diskem, ale při tom přichází do kontaktu s materiálem kola. Materiál disku výměníku tepla absorbuje tepelnou energii z jednoho proudu vzduchu a při otáčení vstupuje do druhého proudu vzduchu, kde tuto absorbovanou tepelnou energii uvolní. Tento typ výměníku tepla bude mít za následek malé míchání kapaliny mezi proudem nasávaného a odváděného vzduchu díky malým mezerám přítomným v místě, kde se kolo otáčí, proto jej nelze použít tam, kde se používají silné pachy nebo toxické výpary.
Tyto výměníky tepla lze použít v zimních měsících k rekuperaci tepla z proudu odváděného z budov, toto teplo je zachyceno tepelným kolem a předáno do proudu nasávaného čerstvého vzduchu, který bude mnohem chladnější než vzduch uvnitř budovy.
Tyto výměníky tepla lze také použít v letních měsících k rekuperaci studeného vzduchu z výfukových plynů budov a použít jej k ochlazení nasávaného čerstvého vzduchu.
Vodní kotel
Takovéto velké kotle najdete většinou ve středních a velkých komerčních budovách v chladnějším klimatu. V domácnostech a menších budovách se používají mnohem menší verze, obvykle nástěnné. Oba typy mají mnoho variant, ale tento typ je velmi rozšířený.
Palivo se spaluje ve spalovací komoře (obvykle plyn nebo olej) a horké výfukové plyny jsou protlačovány řadou trubek až do kouřovodu, odkud jsou vypouštěny do atmosféry. Trubky a spalovací komora jsou obklopeny vodou. Teplo konvekcí přechází na stěny trubek a je odváděno do vody, která je pak konvekcí odváděna pryč. V závislosti na konstrukci systému odchází voda buď jako ohřátá voda, nebo jako pára. Tato voda je vytlačována čerpadlem, přičemž otáčky čerpadla i množství spalovaného paliva lze měnit a měnit tak teplotu a průtok.
Tepelná trubka
Najdete je v solárních ohřívačích vody a některých rekuperačních výměnících. Pokud se podíváme na solární tepelnou aplikaci, máme trubku vyrobenou ze speciálního skla, která je evakuována od veškerého vzduchu, aby se vytvořilo vakuum, a poté je utěsněna. Vnitřní vrstva trubice je opatřena speciálním povlakem. Povlak a vakuum společně zabraňují tomu, aby teplo mohlo odejít, jakmile vstoupí do trubice, a pak pomáhá přenést toto teplo do tepelné trubice uprostřed.
Tepelná trubka má na každé straně žebro spojené s povlakem trubice, které zachycuje tepelnou energii.
Tepelná trubka je utěsněná, dlouhá, dutá měděná trubka, která vede po celé délce skleněné trubice a má nahoře vyčnívající blbu. Baňka je napojena na hlavici a přes hlavici prochází chladná voda, která prochází přes hlavu baňky.
Vnitř tepelné trubice je směs vody udržovaná pod velmi nízkým tlakem. Tento nízký tlak umožňuje odpařování vody na páru s malým přídavkem tepla. Pára pak stoupá vzhůru do baňky, kde odevzdá své teplo vodě proudící hlavicí. Jakmile pára odevzdá své teplo, zkondenzuje a klesne zpět dolů, aby se cyklus opakoval. Trubice absorbuje tepelné záření, které je pak vedeno do trubice. Voda uvnitř jej konvekcí odvádí až do baňky, teplo je vedeno stěnou trubky a konvekcí je odváděno do proudu vody.
Chladicí paprsek
Používají se dva typy chladicích paprsků, pasivní a aktivní. Oba se používají převážně v komerčních budovách.
Aktivní chladicí trámy pracují tak, že chladná kapalina, obvykle voda, prochází žebrovaným trubkovým výměníkem tepla. Do chladicího paprsku je pak veden vzduch, který z něj vychází přes speciálně umístěné trysky. Tento vzduch se pohybuje nad žebrovanou trubkou a vhání studený vzduch do místnosti. Využívá tedy nucenou konvekci.
Pasivní chladicí trámy budou také využívat žebrový trubkový výměník tepla, ale nemají připojený potrubní přívod vzduchu. Místo toho vytvářejí přirozený konvekční proud ochlazováním teplého vzduchu na úrovni stropu. Tento ochlazený vzduch pak klesá a je nahrazen teplejším vzduchem, kde se cyklus opakuje.
Pecní ohřívač
Pecní ohřívače jsou běžné v domech s kanálovou klimatizací. Ty jsou velmi rozšířené v severní Americe. Pecní ohřívače využívají tepelný výměník umístěný přímo do vzduchotechnického potrubí. Palivo se spaluje a horký plyn je posílán přes výměník tepla, teplo z něj je konvekcí odváděno do stěn výměníku tepla, chladnější vzduch z potrubí prochází přes druhou stranu a způsobuje teplotní rozdíl, takže teplo plynu je vedeno přes stěnu a bude odváděno konvekcí.
Deskový výměník tepla
Existují dva hlavní typy deskových výměníků tepla, typ s těsněním a typ s pájenými deskami. Oba jsou velmi účinné při přenosu tepelné energie, pro ještě vyšší účinnost a kompaktní provedení můžete pro mnoho aplikací použít mikrotitrační deskové výměníky tepla. Všem těmto výměníkům tepla jsme se již dříve podrobně věnovali.
Základní informace o těchto dvou typech výměníků tepla jsou následující: Těsnicí typ lze demontovat, jeho topný nebo chladicí výkon lze zvýšit nebo snížit jednoduše přidáním nebo odebráním desek pro přenos tepla. Najdete je zejména ve výškových komerčních objektech k nepřímému připojení chladicích zařízení, kotlů a chladicích věží k topným a chladicím okruhům a k připojení budov k dálkovým energetickým sítím.
Pájené deskové výměníky tepla jsou uzavřené jednotky, které nelze demontovat, jejich topný nebo chladicí výkon je pevně daný. Používají se pro aplikace, jako jsou tepelná čerpadla, kombinované kotle, jednotky tepelného rozhraní, nepřímo spojovací kalorifery atd.
Oba pracují tak, že v sousedních kanálech procházejí kapaliny, obvykle v opačných směrech. Kapaliny jsou obvykle voda a nebo chladivo. Tepelná energie je konvekcí přiváděna na desku, pak vede deskou a kapalina na druhé straně ji odvádí konvekcí pryč.
Tepelná čerpadla
Tepelná čerpadla se používají především v domácnostech, ale někdy i v komerčních objektech. Existují dva hlavní typy tepelných čerpadel vzduchová a zemní. Vzduchový zdroj se běžně používá pro ohřev vzduchu v prostoru, zatímco zemní zdroj se častěji používá pro ohřev vody.
Vzduchový zdroj funguje jako klimatizační systém, ale obráceně, místo aby teplo z místnosti odebíral, přidává ho. Chladivo prochází z kompresoru do vnitřní jednotky, která obsahuje žebrovaný trubkový výměník tepla. Chladivo předává své teplo konvekcí na stěny trubek, poté je vedeno na druhou stranu. Na druhé straně je studený vzduch z místnosti, který je hnán přes výměník tepla malým ventilátorem, ten pak odvádí teplo konvekcí. Chladivo pak proudí do expanzního ventilu a poté do venkovní jednotky, která je rovněž žebrovaným trubkovým výměníkem tepla nebo mikrokanálovým výměníkem tepla.
Při průchodu vzduchu tímto výměníkem tepla okolní vzduch způsobí, že chladivo začne vřít a odebírat teplo. Toto teplo se pak přes kompresor dostane do vnitřní jednotky, kde se cyklus opakuje.
Zemní zdroj funguje trochu jinak. Směs vody a nemrznoucí směsi se čerpá potrubím v zemi a odebírá teplo. To se pak přes pájený deskový výměník tepla přenáší do malého chladicího cyklu. Chladivo jej přenáší do druhého pájeného deskového výměníku tepla, který je připojen k dalšímu vodnímu okruhu, tentokrát předávajícímu teplo do zásobníku teplé vody obvykle prostřednictvím spirálové neohraničené trubky.
Plášťový a trubkový
Plášťové a trubkové výměníky tepla se obvykle nacházejí v chladicích zařízeních na výparníku a nebo kondenzátoru, někdy také jako chladič mazacího oleje.
Jedná se pravděpodobně o nejjednodušší provedení výměníku tepla. Mají vnější nádobu známou jako plášť. Uvnitř pláště se nachází řada trubek známých jako trubky. Trubky obsahují jednu kapalinu a plášť obsahuje jinou kapalinu. Obě kapaliny jsou vždy odděleny stěnami trubek, nikdy se nesetkávají ani nemíchají. Kapaliny mají různou teplotu, což způsobuje přenos tepelné energie mezi kapalinami a tato tepelná energie prochází stěnami trubek. Při použití ve výparníku nebo kondenzátoru budou obě kapaliny voda a chladivo. V závislosti na konstrukci může být voda v plášti nebo v trubce a chladivo bude v druhé části.
Chiller
Chiller bude používat buď plášťový a trubkový výměník tepla, deskový výměník tepla nebo žebrovaný trubkový výměník tepla. Mnoho chladicích jednotek bude ve skutečnosti používat kombinaci všech těchto typů. Například vzduchem chlazený chiller může používat plášťový a trubkový výměník tepla pro výparník, žebrovaný trubkový nebo mikrokanálkový výměník tepla pro kondenzátor, pájený deskový výměník tepla pro chlazení olejového mazání kompresorů a deskový výměník tepla s těsněním pro nepřímé připojení chilleru k centrálnímu chladicímu okruhu.
.