HVAC hőcserélők magyarázata. Ebben a cikkben a HVAC és épületgépészeti alkalmazásokban használt különböző típusú hőcserélőkről lesz szó mind a lakó-, mind a kereskedelmi ingatlanok esetében. Azt is megvizsgáljuk, hogyan alkalmazzák ezeket a rendszerelemeknél az épített környezet kondicionálására, animációkkal lefedve a leggyakoribb HVAC hőcserélők működési elvét.
Görgessen az aljára a videó bemutató megtekintéséhez – részletes animációkat tartalmaz minden hőcserélőhöz!
🏆 Tekintse meg a valós Danfoss hőcserélők széles választékát kattintson ide
A Danfoss hőcserélők növelik a hatékonyságot, csökkentik a hűtőközeg töltését, és helyet takarítanak meg a HVAC rendszerben. A teljes választékot megtalálja, és többet megtudhat mindegyikről a Danfoss weboldalán. Tudjon meg többet a Danfoss hőcserélőkről: link itt
Mi a hőcserélő?
A hőcserélő pontosan az, amit a neve is sugall, egy hő vagy hőenergia átadására (cseréjére) használt eszköz. A hőcserélőkhöz vagy egy forró folyadékot adnak a fűtéshez, vagy egy hideg folyadékot a hűtéshez.
- A folyadék lehet folyadék vagy gáz
- A hő mindig a forróból a hidegbe áramlik
- Hőáramláshoz hőmérsékletkülönbségre van szükség
Hogyan történik a hőcsere?
A hőenergia átadása három módszerrel történik.
- Konvekció
- Konvekció
- Sugárzás
A legtöbb HVAC célú hőcserélő a konvekciót és a vezetést használja. A sugárzásos hőátadás előfordul, de csak kis százalékát teszi ki.
Kondukciós hőátadás
Kondukcióról akkor beszélünk, amikor két különböző hőmérsékletű anyag fizikailag érintkezik. Például, ha egy forró kávéscsészét néhány percre az asztalra helyezünk, majd a csészét eltávolítjuk, akkor az asztal elvezette a hőenergia egy részét.
Konvekciós hőátadás
Konvekció akkor történik, amikor folyadékok mozognak és elszállítják a hőenergiát. Ez történhet természetes úton vagy mechanikai erővel, például ventilátor használatával. Erre példa, amikor egy forró leveses kanálra fújunk. A kanálra fújva lehűtjük a levest, és a levegő ezt a hőt elviszi.
Sugárzásos hőátadás
Sugárzás akkor történik, amikor egy felület elektromágneses hullámokat bocsát ki. Minden, beleértve téged is, kibocsát valamilyen hősugárzást. Minél melegebb egy felület, annál több hősugárzást bocsát ki. Erre példa lehet a Nap. A Napból származó hő elektromágneses hullámok formájában terjed a térben, és úgy jut el hozzánk, hogy közben semmi sincs köztünk.
A felhasznált folyadékok
A HVAC rendszerben használt folyadékok jellemzően víz, gőz, levegő, hűtőközeg vagy olaj, mint átvivő közegek. A HVAC hőcserélők általában két dologra képesek: vagy levegőt vagy vizet melegítenek vagy hűtenek. Egyeseket teljesítménybeli okokból a berendezések hűtésére vagy fűtésére használnak, de a többség a levegő vagy a víz kondicionálására szolgál.
A hőcserélők típusai.
A legtöbb hőcserélő kétféle kialakítást követ. Vagy tekercses vagy lemezes kialakítású. Vessünk egy pillantást mindkettő működésének alapjaira, majd nézzük meg, hogyan alkalmazzák őket a rendszerekben gyakori hőcserélőkben.
Tekercses hőcserélők – egyszerűsítve
A tekercses hőcserélők legegyszerűbb formájukban egy vagy több csövet használnak, amelyek többször oda-vissza futnak. A cső elválasztja egymástól a két folyadékot. Az egyik folyadék a csőben belül, a másik kívül áramlik. Nézzünk meg egy fűtési példát. A hő a forró belső folyadékból konvekció útján jut a cső falához, majd a cső falán keresztül a másik oldalra vezet, és a külső folyadék ezt szintén konvekció útján továbbítja.
Lemezes hőcserélők – egyszerűsítve
A lemezes hőcserélők vékony fémlemezeket használnak a két folyadék elválasztására. A folyadékok általában ellentétes irányban áramlanak a hőátadás javítása érdekében. A legforróbb folyadék hője a lemez falára konvektálódik, majd átvezetésre kerül a másik oldalra. A másik folyadék, amely alacsonyabb hőmérsékleten lép be, ezt konvekció útján továbbítja.
Nézzük meg részletesebben, hogyan alkalmazzák az ilyen típusú hőcserélőket a HVAC-alkalmazásokban.
Állócső-tekercs (folyadék)
Allócsövekre gyakran egyszerűen tekercsként hivatkoznak, pl. fűtő- vagy hűtőtekercs. Ezek rendkívül gyakoriak. Megtalálhatók légkezelő egységekben, fan coil egységekben, csatornarendszerekben, légkondicionáló rendszerek elpárologtatóiban és kondenzátoraiban, hűtőgépek hátulján, árokfűtőkben, és a lista folytatható.
Egy ilyen hőcserélőnél általában víz, hűtőközeg vagy gőz áramlik a belső oldalon, a levegő pedig a külső oldalon.
A levegő fűtésénél például a felmelegített víz felhasználásával a forró víz a csőben áramlik, és a hőenergiát konvekcióval adja át a cső falának, a forró víz és a levegő között hőmérsékletkülönbség van, így a hő a cső falán keresztül távozik. A kívül áthaladó levegő ezt konvekció útján továbbítja.
A lamellák általában az összes cső között csatlakoznak, ezek közvetlenül a levegő áramlásának útjában ülnek, és segítenek a hőt kivonni a csőből és a levegőbe juttatni, mivel ez a cső felületének kiterjesztéseként működik. Nagyobb felület = több hely a hő átadására.
Légcsatorna lemezes hőcserélő
A légkezelő egységekben a légcsatorna lemezes hőcserélőket a beszívott és elszívott légáramlatok közötti hőenergia cseréjére használják anélkül, hogy nedvesség kerülne átadásra és a légáramlatok keverednének. A hőcserélő vékony fémlemezekből, jellemzően alumíniumból készül, a két különböző hőmérsékletű folyadék átlósan ellentétes irányban áramlik. Általában levegőt használnak mindkettőben, de például egy CHP-motor kipufogógázai is használhatók.
A hő az egyik áramlatból konvekció útján jut a vékony fémlemezekre, amelyek elválasztják az áramlatokat, majd ez a hő a fémen keresztül távozik, ahol a kényszerkonvekció révén a másik áramlatba kerül.
Sáncfűtés
A sáncfűtéseket az épület kerületén, általában egy ablak vagy üvegfal alatt helyezik el, és nagyon gyakoriak az új kereskedelmi épületekben. Az árokfűtőtesteket a padlóba építik be, és céljuk az üvegen keresztül történő hőveszteség csökkentése, valamint a kondenzáció kialakulásának megakadályozása.
Ezt úgy érik el, hogy konvektív légáramlatokból álló falat hoznak létre. Az árokfűtések általában forró vizet vagy elektromos fűtőelemeket használnak a levegő felmelegítéséhez. A padlószinten való elhelyezésük azt jelenti, hogy a helyiség leghidegebb levegőjéhez férnek hozzá. A hőcserélő egy lamellás csövön keresztül adja át a hőt, aminek hatására a hideg levegő felmelegszik és a mennyezet felé emelkedik. Ahogy ez a meleg levegő felfelé emelkedik, a helyére a helyiségben lévő hidegebb levegő beáramlik. Ez konvektív áramlást és hőhatárt hoz létre az üveg és a szoba között.
Vezetékes elektromos fűtőtest – nyitott tekercses fűtőelem
A nyitott tekercses fűtőelemeket főként csatornázási alkalmazásokban, kemencékben és néha fan coilokban használják. Ezek a hőtermeléshez nagy ellenállású fémből készült, szabadon álló, feszültség alatt álló tekercseket használnak. Ezeket a hőcserélőket közvetlenül a légáramba helyezik, és ahogy a levegő áthalad a tekercseken, a hőenergia konvekció útján kerül átadásra. Ezek egyenletes fűtést biztosítanak a légáramlatban, bár ezeket csak ott használják, ahol ez biztonságos és nem lehet könnyen hozzáférni.
Mikrocsatornás hőcserélők
A mikrocsatornás hőcserélők a lamellás csőspirál továbbfejlesztése, amely kiváló hőcserét biztosít, bár ezeket csak hűtő- és légkondicionáló rendszerekhez használják. Ilyen típusú hőcserélőkkel találkozhat a léghűtéses hűtőkben, kondenzációs egységekben, lakossági klímaberendezésekben, légszárítókban, szekrényhűtőkben és tetőegységekben stb.
Az ilyen típusú hőcserélők is a konvekciót használják a hőátadás fő módszereként. A mikrocsatornás hőcserélő egyszerű kialakítású. Mindkét oldalon van egy-egy gyűjtő, az egyes gyűjtők között néhány lapos cső fut, amelyek között lamellák vannak. A levegő áthalad a lamellák résein, hogy elvigye a hőenergiát.
A hűtőközeg a gyűjtőcsövön keresztül lép be, majd a lapos csöveken halad át, amíg el nem éri a másik gyűjtőcsövet. A gyűjtőcsövek terelőlapokat tartalmaznak, amelyek szabályozzák a hűtőközeg áramlásának irányát, és arra szolgálnak, hogy a hűtőközeg többször is áthaladjon a csöveken, hogy növeljék a csövekben töltött időt, és így növeljék a hőenergia átadásának lehetőségét.
A lapos csövek belsejében számos kis lyuk, úgynevezett mikrocsatorna található, amelyek a lapos csövek teljes hosszában végigfutnak. Ezek a mikrocsatornák drámaian megnövelik a hőcserélő felületét, ami lehetővé teszi, hogy több hőenergia jusson ki a hűtőközegből a hőcserélő fém burkolatába. A hűtőközeg és a levegő közötti hőmérsékletkülönbség hatására a hő a lapos csőburkolaton keresztül a lamellákba jut. Ahogy a levegő áthalad a réseken, konvekció révén továbbítja ezt a hőenergiát.
Kemencepárologtató tekercs
Kemencepárologtatókat általában nagy lakásokban és kisebb kereskedelmi ingatlanokban találunk kis csatornarendszerekkel. Lehet kapni nagyobb tekercseket, amelyek hasonló elven működnek, de nagyobb rendszerekhez, főként közepes és nagy kereskedelmi épületekben lévő AHU-khoz. A kemencepárologtatóban lévő tekercs ugyanúgy működik, mint egy lamellás csöves hőcserélő, és belülről hűtőközeget használ, kívülről pedig csatornázott levegőt. A csöveken áthaladó levegő kényszerkonvekcióval adja át a hőjét, ez azután a cső falán keresztül vezetéssel továbbítja, a belső oldalon lévő hűtőközeg kényszerkonvekcióval viszi el ezt a hőt, a hűtőközeg felforr és elpárolog a kompresszor felé.
Radiátorok
Ezek nagyon gyakoriak, különösen Európában és Észak-Amerikában az otthonokban és a régebbi kereskedelmi épületekben. A falakra szerelik őket, jellemzően az ablak alá, hogy a helyiségek fűtését biztosítsák. Funkciójuk nagyon egyszerű, általában egy melegvízcsőhöz csatlakoznak, amelyhez egy kazánból meleg vizet vezetnek.
A víz egy kis átmérőjű csövön keresztül jut be, és a radiátor belsejébe áramlik. A radiátor belső felülete nagyobb, mint a csőé, ami lelassítja a víz sebességét, így több idő áll rendelkezésre a hő átadására.
A víz hője vezetés útján jut el a radiátor fém falaihoz. A radiátor külső oldalán a helyiség levegője van. Amikor ez a levegő érintkezik a radiátor forró felületével, a hő átadódik a levegőnek, és ez a levegő tágulását és emelkedését okozza. Ezután hidegebb levegő áramlik be, hogy helyettesítse ezt a levegőt, ami a mozgó levegő folyamatos körforgását okozza, amely felmelegíti a helyiséget, ez a mozgó levegő tehát konvekciós hőátadás. A radiátor általában néhány lamellával van összekötve a hátulján vagy a panelek között, különösen az újaknál, ezek csak azért vannak ott, hogy kiterjesszék a radiátor felületét, hogy több lehetőséget biztosítsanak a hő átadására a levegőbe. A radiátorok elnevezése helytelen, mivel a hőátadás többnyire konvekció útján történik.
Néha előfordul, hogy a speciálisan kialakított radiátorokat gőzrendszerekhez csatlakoztatják, de ez egyre ritkább, régebben használtak olajat is, de ez manapság már elég ritka.
Vízmelegítő elem
A vízmelegítő elemet általában kaloriferekben és vízmelegítőkben találjuk, néha a nyitott hűtőtornyok medencéjében is használják, hogy télen ne fagyjon be a víz. Ezek egy fémtekercset használnak a cső mentén, amely nagy ellenállási értékkel rendelkezik. Ez az ellenállás hőt termel. A tekercset szigetelik, hogy az áram áramlását megfékezzék, de a hőenergia áramlását lehetővé tegyék. A fűtőelemet egy víztartályba merítik, és a hő az elemből a vízbe kerül. A fűtőelemmel érintkező víz tehát felmelegszik, és emiatt emelkedik a tartályban, majd hűvösebb víz áramlik be a felmelegedett víz helyére, ahol ez a körforgás folytatódik.
forgókerék
Az ilyen típusú hőcserélők általában a légkezelő egységben találhatók a be- és kivezetett légáramlatok között. Úgy működnek, hogy egy kis villanymotor, amely egy szíjhajtáshoz csatlakozik, lassan forgatja a hőcserélő tárcsát, amely közvetlenül a légáramban helyezkedik el, mind az elszívott, mind a friss levegő beszívása között. A levegő egyenesen áthalad a tárcsán, de közben érintkezik a kerék anyagával. A hőcserélő tárcsa anyaga elnyeli a hőenergiát az egyik légáramból, és ahogy forog, belép a második légáramba, ahol leadja ezt az elnyelt hőenergiát. Ez a típusú hőcserélő kis mennyiségű folyadék keveredését eredményezi a beszívott és az elszívott levegőáram között a kis rések miatt, ahol a kerék forog, ezért nem használható ott, ahol erős szagokat vagy mérgező füstöket használnak.
Ezek a hőcserélők a téli hónapokban használhatók az épületek elszívott levegőáramából származó hő visszanyerésére, ezt a hőt a termikus kerék rögzíti és átadja a friss levegő beszívott áramába, amely sokkal hűvösebb lesz, mint az épületben lévő levegő.
Ezek a hőcserélők a nyári hónapokban arra is használhatók, hogy visszanyerjék a hideg levegőt az épületek kipufogógázából, és azt a friss beszívott levegő lehűtésére használják.
Vízkazán
Az ilyen nagy kazánokat főleg a hűvösebb éghajlatú, közepes és nagy kereskedelmi épületekben találja. Az otthonokban és a kisebb épületekben sokkal kisebb, általában falra szerelt változatokat használnak. Mindkettőnek sok változata van, de ez a típus nagyon gyakori.
A tüzelőanyagot az égéstérben elégetik (általában gáz vagy olaj), és a forró kipufogógázok számos csövön keresztül jutnak a füstgázba, ahonnan a légkörbe jutnak. A csöveket és az égéstermet víz veszi körül. A hő a csövek falához konvektálódik, majd a vízbe jut, és ezt a konvekció elviszi. A rendszer kialakításától függően a víz vagy felmelegített vízként, vagy gőzként távozik. Ezt a vizet egy szivattyú kényszeríti, a szivattyú fordulatszáma, valamint az elégetett tüzelőanyag mennyisége változtatható a hőmérséklet és az áramlási sebesség megváltoztatása érdekében.
Hőcső
Ezeket a napkollektoros vízmelegítőkben és egyes hővisszanyerő AHU-tekercsekben találja. Ha a napkollektoros alkalmazást nézzük, van egy speciális üvegből készült cső, amelyet minden levegőtől kiürítenek, hogy vákuumot hozzanak létre, majd lezárják. A cső belső rétege speciális bevonattal van ellátva. A bevonat és a vákuum együttesen megakadályozza, hogy a hő távozni tudjon, amint belép a csőbe, majd segít ezt a középen lévő hőcsőbe továbbítani.
A hőcső mindkét oldalán van egy-egy lamella, amely a cső bevonatához kapcsolódik, hogy felvegye a hőenergiát.
A hőcső egy lezárt, hosszú, üreges rézcső, amely az üvegcső hosszában fut, és a tetején van egy kiálló csonk. Az izzó egy gyűjtőcsőbe van bekötve, és a gyűjtőcsövön keresztül hideg vizet vezetnek át az izzófejre.
A hőcső belsejében egy nagyon alacsony nyomáson tartott vízkeverék van. Ez az alacsony nyomás lehetővé teszi, hogy a víz kis hő hozzáadásával gőzzé párologjon. A gőz ezután felemelkedik az izzóba, ahol leadja a hőjét a fejrészen átáramló víznek. Ahogy a gőz leadja a hőjét, lecsapódik és visszaesik, hogy megismételje a ciklust. A cső elnyeli a hősugárzást, ez azután a csőbe kerül. A benne lévő víz ezt konvekcióval felviszi a gumóig, a hő a cső falán keresztül elvezetődik, és konvekcióval a vízáramba kerül.
Hűtősugár
A hűtősugárnak két típusa használatos, a passzív és az aktív. Mindkettőt főleg kereskedelmi épületekben használják.
Az aktív hűtősugár úgy működik, hogy egy hűtött folyadékot, jellemzően vizet vezet át egy lamellás csöves hőcserélőn. Ezután a levegőt a hűtősugárba vezetik, és az speciálisan elhelyezett fúvókákon keresztül távozik. Ez a levegő áthalad a lamellás csövön, és a hideg levegőt a helyiségbe fújja. Ezért kényszerkonvekciót alkalmaz.
A passzív hűtősugarak is használnak lamellás csöves hőcserélőt, de ezekhez nem csatlakozik csatornázott levegőellátás. Ehelyett természetes konvekciós áramlást hoznak létre a mennyezet szintjén lévő meleg levegő lehűtésével. Ez a lehűlt levegő ezután lesüllyed, és helyébe melegebb levegő lép, ahol a ciklus ismétlődik.
Kályhafűtés
A kályhafűtések gyakoriak a csatornás légkondicionálással ellátott lakásokban. Ezek nagyon elterjedtek Észak-Amerikában. A kályhafűtők közvetlenül a csatornázott léggőzbe helyezett hőcserélőt használnak. A tüzelőanyagot elégetik, és a forró gázt átküldik a hőcserélőn, ennek hője a hőcserélő falába konvektálódik, a hűvösebb vezetékes levegő a másik oldalon halad át, ami hőmérsékletkülönbséget okoz, így a gáz hőjét a falon keresztül vezeti, és a konvekció elviszi.
Lemezes hőcserélő
A lemezes hőcserélőknek két fő típusa van, a tömítéses és a forrasztott lemezes típus. Mindkettő nagyon hatékony a hőenergia átvitelében, a még nagyobb hatékonyság és a kompakt kialakítás érdekében számos alkalmazásban használhat mikrolemezes hőcserélőket. Korábban részletesen foglalkoztunk mindezekkel a hőcserélőkkel.
Az alapvető tudnivalók a kétféle hőcserélőről: A tömítéses típus szétszerelhető, fűtési vagy hűtési kapacitása növelhető vagy csökkenthető egyszerűen hőátadó lemezek hozzáadásával vagy eltávolításával. Ezeket főleg a magas építésű kereskedelmi ingatlanokban találja meg, hogy a hűtők, kazánok és hűtőtornyok közvetett módon csatlakozzanak a fűtési és hűtési körfolyamatokhoz, illetve hogy az épületeket távhőhálózatokhoz csatlakoztassák.
A borított lemezes hőcserélők zárt egységek, amelyeket nem lehet szétszerelni, fűtési vagy hűtési kapacitásuk rögzített. Ezeket olyan alkalmazásokban használják, mint, hőszivattyúk, kombi kazánok, hőcsatlakozó egységek, összekötő kalorifikátorok közvetve stb.
Mindkettő úgy működik, hogy folyadékokat vezetnek át, általában ellentétes irányban, szomszédos csatornákban. A folyadékok általában víz vagy hűtőközeg. A hőenergia a lemezre konvekcióval jut, majd a lemezen keresztül vezet, és a másik oldalon lévő folyadék ezt konvekcióval továbbítja.
Hőszivattyúk
A hőszivattyúkat főként lakásokban, de néha kereskedelmi ingatlanokban is használják. A hőszivattyúknak két fő típusa van légforrás és talajforrás. A légforrást általában helyiségek levegőjének fűtésére használják, míg a talajforrást inkább vízmelegítésre.
A légforrás úgy működik, mint egy légkondicionáló rendszer, de fordítva, ahelyett, hogy elvenné a hőt a helyiségből, hozzáadja azt. A hűtőközeg a kompresszortól a beltéri egységbe jut, amely egy lamellás csöves hőcserélőt tartalmaz. A hűtőközeg konvekcióval adja át a hőjét a cső falának, majd átvezetik a másik oldalra. A másik oldalon a helyiség hideg levegője van, amelyet egy kis ventilátor kényszerít át a hőcserélőn, ez aztán konvekció útján elviszi a hőt. A hűtőközeg ezután a tágulási szelephez, majd a kültéri egységhez áramlik, amely szintén egy lamellás csöves hőcserélő vagy mikrocsatornás hőcserélő.
Amint a levegő áthalad ezen a hőcserélőn, a környezeti levegő hatására a hűtőközeg felforr és hőt vesz fel. Ez a hő aztán a kompresszoron keresztül jut el a beltéri egységhez, hogy megismételje a ciklust.
A földi forrás egy kicsit másképp működik. Egy víz és fagyálló keveréket szivattyúznak a talajban lévő csöveken keresztül, hogy felvegyék a hőt. Ezt aztán egy forrasztott lemezes hőcserélőn keresztül egy kis hűtőkörbe juttatják. A hűtőközeg ezt egy második forrasztott lemezes hőcserélőbe viszi, amely egy másik vízhurokhoz van csatlakoztatva, amely ezúttal a hőt egy melegvíztartályba továbbítja, általában egy spirális, nem bordázott csövön keresztül.
Héj és cső
A héj és cső hőcserélők jellemzően a hűtőgépekben találhatók a párologtatón és vagy a kondenzátoron, néha kenőolajhűtőként is.
Ez talán a hőcserélő legegyszerűbb kialakítása. Van egy külső tartályuk, amelyet héjnak neveznek. A héj belsejében számos cső helyezkedik el, amelyeket csöveknek neveznek. A csövek egy folyadékot tartalmaznak, a héj pedig egy másik folyadékot. A két folyadékot a csövek falai mindig elválasztják egymástól, soha nem találkoznak vagy keverednek. A folyadékok különböző hőmérsékletűek lesznek, ami miatt a hőenergia átadódik a folyadékok között, és ez a hőenergia a csövek falán keresztül halad át. Az elpárologtatóban vagy a kondenzátorban a két folyadék víz és hűtőközeg. A kialakítástól függően a víz a héjban vagy a csőben, a hűtőközeg pedig a másikban lesz.
Hűtőgép
A hűtőben vagy héj- és csőhőcserélőt, vagy lemezes hőcserélőt, vagy bordázott csöves hőcserélőt használnak. Sok hűtőgép valójában mindezek kombinációját használja. Például egy léghűtéses hűtőgép használhat héj- és csőhőcserélőt az elpárologtatóhoz, bordázott csöves vagy mikrocsöves hőcserélőt a kondenzátorhoz, forrasztott lemezes hőcserélőt a kompresszorok olajkenéses hűtéséhez és tömített lemezes hőcserélőt a hűtőgép központi hűtőkörrel való közvetett összekapcsolásához.