HVAC-varmevekslere forklaret. I denne artikel vil vi diskutere de forskellige typer af varmevekslere, der anvendes i HVAC- og bygningsserviceapplikationer til både boliger og erhvervsejendomme. Vi vil også se på, hvordan disse anvendes på systemkomponenter til at konditionere det byggede miljø og dækker arbejdsprincippet for almindelige HVAC-varmevekslere med animationer.
Rul til bunden for at se videovejledningen – indeholder detaljerede animationer for hver varmeveksler!
🏆 Se det store udvalg af Danfoss-varmevekslere i den virkelige verden klik her
Danfoss-varmevekslere øger effektiviteten, reducerer kølemiddelbelastningen og sparer plads i dit HVAC-system. Du kan finde hele sortimentet og få mere at vide om hver enkelt på Danfoss’ websted. Få mere at vide om Danfoss-varmevekslere: link her
Hvad er en varmeveksler?
En varmeveksler er præcis, hvad navnet antyder, nemlig en anordning, der bruges til at overføre (udveksle) varme eller termisk energi. Varmevekslere får enten en varm væske til at give varme eller en kold væske til at give køling.
- En væske kan enten være en væske eller en gas
- Varme strømmer altid fra varmt til koldt
- Der skal være en temperaturforskel for at varme kan strømme
Hvordan udveksles varme?
Varmeenergi overføres via tre metoder.
- Konduktion
- Konvektion
- Konvektion
- Stråling
De fleste varmevekslere til HVAC-formål anvender konvektion og konduktion. Strålevarmeoverførsel forekommer, men udgør kun en lille procentdel.
Konduktionsvarmeoverførsel
Konduktion opstår, når to materialer med forskellige temperaturer fysisk berører hinanden. Hvis vi f.eks. stiller en varm kop kaffe på et bord i et par minutter og derefter fjerner koppen, vil bordet have ledt noget af denne varmeenergi.
Konvektionsvarmeoverførsel
Konvektion opstår, når væsker bevæger sig og transporterer varmeenergien væk. Dette kan ske naturligt eller ved mekanisk kraft, f.eks. ved hjælp af en ventilator. Et eksempel på dette er, når man blæser på en varm ske med suppe. Du blæser i skeen for at køle suppen ned, og luften bærer denne varme væk.
Stråling af varmeoverførsel
Stråling opstår, når en overflade udsender elektromagnetiske bølger. Alt, også du selv, udsender en vis varmestråling. Jo varmere en overflade er, jo mere varmestråling vil den udsende. Et eksempel på dette ville være solen. Varmen fra solen bevæger sig som elektromagnetiske bølger gennem rummet og når frem til os uden noget imellem.
Anvendte væsker
De væsker, der anvendes i HVAC-systemer, omfatter typisk vand, damp, luft, kølemiddel eller olie som overførselsmedier. HVAC-varmevekslere gør normalt en af to ting, de opvarmer eller afkøler enten luft eller vand. Nogle bruges til at køle eller opvarme udstyr af hensyn til ydeevnen, men størstedelen bruges til at konditionere luft eller vand.
Typer af varmevekslere.
De fleste varmevekslere følger et af to design. Enten spiral- eller pladedesign. Lad os se på det grundlæggende i, hvordan begge fungerer, og derefter se, hvordan de anvendes på almindelige varmevekslere i systemer.
Spiralvarmevekslere – forenklet
Spiralvarmevekslere i deres enkleste form bruger et eller flere rør, der løber frem og tilbage et antal gange. Røret adskiller de to væsker. Den ene væske strømmer inde i røret, og den anden strømmer på ydersiden. Lad os se på et eksempel på opvarmning. Varmen overføres fra den varme indre væske til rørvæggen via konvektion, den ledes derefter gennem rørvæggen til den anden side, og den ydre væske fører den væk også via konvektion.
Pladevarmevekslere – forenklet
Pladevarmevekslere bruger tynde metalplader til at adskille de to væsker. Væskerne strømmer generelt i modsatte retninger for at forbedre varmeoverførslen. Varmen fra den varmeste væske konvekteres til pladevæggen og ledes derefter igennem til den anden side. Den anden væske, som kommer ind ved en lavere temperatur, fører derefter denne væk gennem konvektion.
Lad os se nærmere på, hvordan disse typer varmevekslere anvendes i HVAC-applikationer.
Finned tube coil (fluid)
Finned tube omtales ofte blot som en spole, f.eks. varme- eller kølespiral. Disse er meget almindelige. Du finder dem i luftbehandlingsaggregater, fan coil units, kanalsystemer, fordamper og kondensatorer i klimaanlæg, på bagsiden af køleskabe, i grøftevarmere, og listen fortsætter.
For disse varmevekslere strømmer vand, kølemiddel eller damp normalt gennem indersiden, og luften strømmer på ydersiden.
For eksempel, når der anvendes til opvarmning af luft ved hjælp af opvarmet vand, strømmer det varme vand ind i røret og overfører sin varmeenergi via konvektion til rørvæggen, der er en temperaturforskel mellem det varme vand og luften, så varmen ledes gennem rørvæggen. Luften, der passerer på ydersiden, transporterer den væk via konvektion.
Lamellerne er normalt forbundet mellem alle rørene, disse sidder direkte i luftstrømmenes vej og hjælper med at trække varmen ud af røret og få den ud i luften, fordi dette virker som en udvidelse af rørets overfladeareal. Mere overfladeareal = mere plads til varmeoverførsel.
Kanalpladevarmeveksler
Kanalpladevarmevekslere anvendes i luftbehandlingsanlæg til at udveksle varmeenergi mellem indsugnings- og udsugningsluftstrømmene uden at der overføres fugt og uden at luftstrømmene blandes. Varmeveksleren er fremstillet af tynde metalplader, typisk af aluminium, hvor de to væsker med forskellige temperaturer strømmer i modsatte diagonale retninger. Normalt anvendes luft i begge dele, men udstødningsgasser fra f.eks. en kraftvarmekraftvarmemotor kan også anvendes.
Varmen fra den ene strøm konvegeres til de tynde metalplader, der adskiller strømmene, og ledes derefter gennem metallet, hvor den ved tvungen konvektion føres væk til den anden strøm.
Trench heater
Trench heater installeres rundt om kanten af en bygning normalt under et vindue eller en glasvæg og er meget almindelige i nye erhvervsbygninger. Trench heaters installeres i gulvet, og deres formål er at reducere varmetabet gennem glasset samt at forhindre, at der dannes kondensvand.
Dette gør de ved at skabe en væg af konvekterende luftstrømme. Trench heaters bruger normalt varmt vand eller elektriske varmeelementer til at opvarme luften. Deres placering i gulvniveau betyder, at de har adgang til den koldeste luft i rummet. Varmeveksleren overfører varme til denne via et lamelrør, hvilket får den kolde luft til at varme op og stige op mod loftet. Når denne varme luft stiger op, vil den koldere luft i rummet strømme ind og tage dens plads. Dette skaber en konvektiv strøm og en termisk grænse mellem glasset og rummet.
Duct electric heater – open coil element
Opne coil varmeelementer bruges mest i kanalsystemer, ovne og nogle gange fan coils. De fungerer ved hjælp af eksponerede spoler af højmodstandsdygtigt metal til at generere varme. Disse varmevekslere er placeret direkte i luftstrømmen, og når luften passerer over spolerne, overføres varmeenergien via konvektion. De giver ensartet opvarmning i hele luftstrømmen, selv om de kun anvendes, hvor det er sikkert og ikke er let tilgængeligt.
Mikrokanalvarmevekslere
Mikrokanalvarmevekslere er en videreudvikling af lamelrørsslangen, der giver en overlegen varmeudveksling, selv om de kun anvendes til køle- og klimaanlæg. Du kan finde denne type varmevekslere på luftkølede køleanlæg, kondenseringsenheder, airconditionanlæg til boliger, lufttørrere, kabinetkøling og rooftop-enheder osv.
Denne type varmevekslere fungerer også ved hjælp af konvektion som deres vigtigste metode til varmeoverførsel. Mikrokanalvarmeveksleren har en enkel konstruktion. På hver side er der en header, og mellem hver header løber nogle flade rør med lameller imellem. Luft passerer gennem hullerne i finnerne for at transportere den termiske energi væk.
Kølemidlet kommer ind gennem samleleddet og passerer derefter gennem de flade rør, indtil det når frem til det andet samleled. Forgreningerne indeholder baffler, som styrer retningen af kølemiddelstrømmen, og de bruges til at sløjfe kølemidlet gennem rørene et antal gange for at øge den tid, der tilbringes indeni, og dermed øge muligheden for at overføre termisk energi.
Inden for hvert fladt rør er der et antal små huller, der kaldes mikrokanaler, som løber i hele længden af hvert fladt rør. Disse mikrokanaler øger varmevekslerens overfladeareal drastisk, hvilket gør det muligt at få mere varmeenergi ud af kølemidlet og ind i varmevekslerens metalkappe. Temperaturforskellen mellem kølemidlet og luften bevirker, at varmen ledes gennem det flade rørkabinet og ind i lamellerne. Når luften passerer gennem mellemrummene, transporterer den denne varmeenergi væk ved hjælp af konvektion.
Forstensfordamperrør
Forstensfordamperrør findes almindeligvis i store hjem og små erhvervsejendomme med små kanalsystemer. Man kan få større spoler, der fungerer efter samme principper, men til større systemer, hovedsagelig til AHU’er i mellemstore til store erhvervsejendomme. Spolen i en ovnfordamper fungerer på samme måde som en lamelvarmeveksler og anvender et kølemiddel på indersiden med luft i kanalerne på ydersiden. Luften, der passerer gennem rørene, overfører sin varme via tvungen konvektion, dette overføres derefter gennem rørvæggen via ledning, kølemidlet på indersiden transporterer denne varme væk via tvungen konvektion, kølemidlet koger og fordamper væk til kompressoren.
Radiatorer
Disse er meget almindelige især i hele Europa og Nordamerika i boliger og ældre erhvervsbygninger. De er monteret på væggene typisk under et vindue for at give rumopvarmning. Deres funktion er meget enkel, de er normalt forbundet til et varmtvandsrør, som tilføres varmt vand fra en kedel.
Vandet kommer ind gennem et rør med lille diameter og løber ind i radiatorens indre. Radiatorens indre areal er større end rørets, hvilket gør vandets hastighed langsommere, så der er mere tid til at overføre varmen.
Vandets varme overføres ved ledning til radiatorens metalvægge. På ydersiden af radiatoren er luften i rummet. Når denne luft kommer i kontakt med radiatorens varme overflade, vil varmen blive overført til luften, og dette vil få luften til at udvide sig og stige. Koldere luft bevæger sig derefter ind for at erstatte denne luft og skaber en kontinuerlig cyklus af luft i bevægelse, som opvarmer rummet; denne luftbevægelse er derfor konvektionsvarmeoverførsel. Radiatoren har normalt nogle lameller tilsluttet på bagsiden eller mellem panelerne, især på nye radiatorer, disse er der blot for at udvide radiatorens overfladeareal for at give større mulighed for at overføre varme til luften. Radiatorer er forkert navngivet, da de hovedsagelig overfører varme via konvektion.
Nogle gange finder man specialdesignede radiatorer, der er forbundet med dampsystemer, men det er blevet mindre almindeligt, og tidligere blev der også brugt olie, men det er ret sjældent nu om dage.
Vandvarmeelement
Vandvarmeelementet findes normalt i kaloriferer og vandvarmere, det bruges også nogle gange i bassinet i åbne køletårne for at forhindre vandet i at fryse om vinteren. Disse anvender en metalspole langs røret, som har en høj modstandsværdi. Denne modstand genererer varme. Spolen er isoleret for at dæmme op for strømmen, men tillade strømmen af varmeenergi. Varmeelementet er nedsænket i en vandbeholder, og varmen ledes ud af elementet og ind i vandet. Det vand, der kommer i kontakt med varmeelementet, opvarmes derfor, og dette får det til at stige i tanken, køligere vand strømmer derefter ind for at erstatte dette opvarmede vand, hvor denne cyklus fortsætter.
Rotary wheel
Denne type varmevekslere findes normalt i luftbehandlingsenheden mellem til- og fraluftkanalerne i luftstrømmene. De fungerer ved hjælp af en lille elektrisk motor, der er forbundet med en rem, som langsomt roterer varmevekslerskiven, der sidder direkte i luftstrømmen mellem både udsugnings- og friskluftindtaget. Luften passerer direkte gennem skiven, men når den gør det, kommer den i kontakt med skivens materiale. Varmevekslerskivens materiale absorberer varmeenergi fra den ene luftstrøm, og når den roterer, kommer den ind i den anden luftstrøm, hvor den vil afgive den absorberede varmeenergi. Denne type varmeveksler vil resultere i en lille mængde væskeblanding mellem indsugnings- og udsugningsluftstrømmen på grund af de små huller, der er til stede, hvor hjulet roterer, og derfor kan den ikke anvendes, hvor der anvendes stærke lugte eller giftige dampe.
Disse varmevekslere kan anvendes i vintermånederne til at genvinde varmen fra bygningens udsugningsluftstrøm, denne varme opfanges af det termiske hjul og overføres til friskluftsindsugningsstrømmen, som vil være meget køligere end luften inde i bygningen.
Disse varmevekslere kan også bruges i sommermånederne til at genvinde kold luft fra bygningernes udstødning og bruge den til at afkøle friskluftsindtaget.
Vandkedel
Du finder store kedler som denne mest i mellemstore til store erhvervsbygninger i køligere klimaer. I boliger og mindre bygninger anvendes meget mindre versioner, som normalt er vægmonterede. Begge har mange varianter, men denne type er meget almindelig.
Brændsel forbrændes i forbrændingskammeret (normalt gas eller olie), og de varme udstødningsgasser presses gennem en række rør, indtil de når røgrøret og udledes til atmosfæren. Rørene og forbrændingskammeret er omgivet af vand. Varmen konvekterer til rørvæggene og ledes derefter gennem vandet, som derefter transporteres væk ved konvektion. Afhængigt af systemets udformning kommer vandet enten ud som opvarmet vand eller som damp. Dette vand presses af en pumpe, pumpens hastighed samt mængden af forbrændt brændstof kan varieres for at ændre temperaturen og flowhastigheden.
Varme rør
Disse finder du i solvarmevandvarmere og i nogle AHU-spiraler med varmegenvinding. Hvis vi ser på solvarmeanvendelsen, har vi et rør fremstillet af specialglas, som er evakueret for al luft for at skabe et vakuum og derefter forseglet. Det indre lag af røret har en særlig belægning. Belægningen og vakuumet arbejder sammen for at forhindre, at varmen kan slippe ud, når den først er kommet ind i røret, og hjælper derefter med at flytte den til varmerøret i midten.
Varmerøret har en finne på hver side, der er forbundet med rørets belægning for at opsamle den termiske energi.
Varmerøret er et forseglet, langt, hult kobberrør, der løber i længden af glasrøret og har en fremspringende blub i toppen. Bulben er forbundet til en samleledning, og koldt vand ledes gennem samleledningen for at passere over bulbhovedet.
Inden for varmerøret er der en vandblanding, der holdes under meget lavt tryk. Dette lave tryk gør det muligt for vandet at fordampe til damp med ringe varmetilførsel. Dampen stiger derefter op i pærehovedet, hvor den afgiver sin varme til det vand, der strømmer gennem hovedledningen. Efterhånden som dampen afgiver sin varme, kondenserer den og falder ned igen for at gentage cyklussen. Røret absorberer varmestråling, som derefter ledes ind i røret. Vandet indeni konvekterer dette op til pæren, varmen ledes gennem rørvæggen og bortføres ved konvektion i vandstrømmen.
Kølebjælke
Der anvendes to typer kølebjælker, passive og aktive. Begge anvendes mest i kommercielle bygninger.
Aktive kølebjælker fungerer ved at lade en kold væske, typisk vand, passere gennem en varmeveksler med lamelrør. Derefter ledes luft ind i kølebjælken, og den kommer ud gennem særligt placerede dyser. Luften bevæger sig over det lamelformede rør og blæser den kolde luft ind i rummet. Der anvendes derfor tvungen konvektion.
Passive kølebjælker vil også anvende en lamelvarmeveksler, men de har ikke en lufttilførsel via kanaler tilsluttet. I stedet skaber de en naturlig konvektionsstrøm ved at nedkøle den varme luft i loftsniveau. Denne afkølede luft synker derefter ned og erstattes af varmere luft, hvor cyklussen gentager sig.
Overfladevarmer
Overfladevarmere er almindelige i boliger med kanaliseret klimaanlæg. De er meget almindelige i Nordamerika. Furnance-varmere anvender en varmeveksler, der er placeret direkte i den ledningsførte luftdamp. Brændstof forbrændes, og den varme gas sendes gennem varmeveksleren, varmen herfra konvegeres ind i varmevekslerens vægge, den køligere kanalluft passerer over den anden side og forårsager en temperaturforskel, så varmen fra gassen ledes gennem væggen og vil blive ført væk ved konvektion.
Pladevarmeveksler
Der er to hovedtyper af pladevarmevekslere, pakningstypen og den loddede pladetype. Disse er begge meget effektive til at overføre termisk energi, for endnu større effektivitet og kompakt design kan du bruge mikropladevarmevekslere til mange anvendelser. Vi har dækket alle disse varmevekslere meget detaljeret tidligere.
De grundlæggende ting at vide om disse to typer varmevekslere er, at pakningstypen kan skilles ad, dens varme- eller kølekapacitet kan øges eller mindskes blot ved at tilføje eller fjerne varmeoverførselsplader. Du finder disse især anvendt i høje erhvervsejendomme til indirekte at forbinde kølere, kedler og køletårne med varme- og kølekredsløb og til at forbinde bygninger med fjernvarmenetværk.
Loddet pladevarmeveksler er forseglede enheder, som ikke kan demonteres, deres varme- eller kølekapacitet er fast. De anvendes til anvendelser som f.eks. varmepumper, kombi-kedler, varmevekslere, indirekte tilslutning af kaloriferer osv.
Både fungerer ved at lade væsker passere, normalt i modsatte retninger, i tilstødende kanaler. Væskerne er normalt vand og eller kølemiddel. Den termiske energi konvekteres på pladen, den ledes derefter gennem pladen, og væsken på den anden side fører den væk gennem konvektion.
Varmepumper
Varmepumper anvendes mest i boliger, men nogle gange også i erhvervsejendomme. Der er to hovedtyper af varmepumper luftkilde og jordkilde. Luftkilde anvendes almindeligvis til opvarmning af rumluft, mens jordkilde er mere almindeligt anvendt til opvarmning af vand.
Luftkilde fungerer som et AC-system, men omvendt, i stedet for at fjerne varme fra et rum, tilføjer den varme. Et kølemiddel passerer fra kompressoren til den indendørs enhed, som indeholder en lamelvarmeveksler med lamelrør. Kølemidlet overfører sin varme ved hjælp af konvektion til rørvæggene, hvorefter den ledes igennem til den anden side. På den anden side er rummets kolde luft, som tvinges gennem varmeveksleren af en lille ventilator, som derefter transporterer varmen væk via konvektion. Kølemidlet strømmer derefter til ekspansionsventilen og derefter til den udendørs enhed, som også er en lamelvarmeveksler eller en mikrokanalvarmeveksler.
Da luften passerer gennem denne varmeveksler, vil den omgivende luft få kølemidlet til at koge og opsamle varme. Denne varme finder derefter vej gennem kompressoren til den indendørs enhed for at gentage cyklussen.
Grundkilde fungerer lidt anderledes. En blanding af vand og frostvæske pumpes gennem rør i jorden for at opsamle varme. Dette overføres derefter til en lille kølecyklus via en loddet pladevarmeveksler. Kølemidlet transporterer dette til en anden loddet pladevarmeveksler, som er forbundet med et andet vandkredsløb, der denne gang overfører varmen til en varmtvandsbeholder, som regel gennem et spiralformet, uindkapslet rør.
Skal og rør
Skal og rørvarmevekslere findes typisk i køleanlæg på fordamperen og eller kondensatoren, nogle gange også som smøreoliekøler.
Disse er muligvis den enkleste udformning af varmevekslere. De har en ydre beholder, der er kendt som skallen. Inde i skallen sidder en række rør, der kaldes rørene. Rørene indeholder en væske, og skallen indeholder en anden væske. De to væsker er altid adskilt af rørvæggene, og de mødes eller blandes aldrig. Væskerne har forskellige temperaturer, hvilket medfører, at der overføres varmeenergi mellem væskerne, og denne varmeenergi passerer gennem rørvæggene. Når de to væsker anvendes i fordamperen eller kondensatoren, vil de to væsker være vand og kølemiddel. Afhængigt af konstruktionen kan vandet være i skallen eller røret, og kølemidlet vil være i den anden.
Kølemiddel
En kølemiddelveksler anvender enten en rørvarmeveksler, en pladevarmeveksler eller en lamelvarmeveksler. Mange køleanlæg vil faktisk bruge en kombination af alle disse. F.eks. kan en luftkølet kølingsmaskine anvende en rørvarmeveksler til fordamperen, en lamelvarmeveksler eller en mikrokanalvarmeveksler til kondensatoren, en loddet pladevarmeveksler til kompressorens oliesmøringskøling og en pakningspladevarmeveksler til indirekte at forbinde kølingsmaskinen med det centrale kølekredsløb.