HVAC-warmtewisselaars toegelicht. In dit artikel bespreken we de verschillende soorten warmtewisselaars die worden gebruikt in HVAC- en gebouwentechnische toepassingen voor zowel woningen als bedrijfspanden. We zullen ook bekijken hoe deze worden toegepast op systeemcomponenten om de gebouwde omgeving te conditioneren, waarbij we het werkingsprincipe van veel voorkomende HVAC-warmtewisselaars met animaties behandelen.
Scroll naar beneden om de video tutorial te bekijken – bevat gedetailleerde animaties voor elke warmtewisselaar!
🏆 Bekijk de grote verscheidenheid aan echte Danfoss warmtewisselaars klik hier
Danfoss warmtewisselaars verhogen de efficiëntie, verminderen de koelmiddelvulling, en besparen ruimte in uw HVAC-systeem. Op de Danfoss-website vindt u de volledige reeks en komt u meer te weten over elk exemplaar. Meer informatie over Danfoss warmtewisselaars: link hier
Wat is een warmtewisselaar?
Een warmtewisselaar is precies wat de naam al aangeeft, een apparaat dat wordt gebruikt om warmte of thermische energie over te dragen (uit te wisselen). Warmtewisselaars krijgen ofwel een warme vloeistof om te verwarmen, ofwel een koude vloeistof om te koelen.
- Een vloeistof kan zowel een vloeistof als een gas zijn
- Warmte stroomt altijd van warm naar koud
- Er moet een temperatuurverschil zijn om warmte te laten stromen
Hoe wordt warmte uitgewisseld?
Thermische energie wordt op drie manieren overgedragen.
- Conductie
- Convectie
- Straling
De meeste warmtewisselaars voor HVAC-doeleinden gebruiken convectie en conductie. Warmteoverdracht door straling komt wel voor, maar slechts voor een klein percentage.
Geleidingswarmteoverdracht
Geleidingswarmteoverdracht treedt op wanneer twee materialen van verschillende temperatuur elkaar fysiek raken. Als we bijvoorbeeld een heet kopje koffie een paar minuten op een tafel zetten en dan het kopje weghalen, zal de tafel een deel van deze thermische energie hebben geleid.
Convectiewarmteoverdracht
Convectie treedt op wanneer vloeistoffen bewegen en de thermische energie wegvoeren. Dit kan op natuurlijke wijze gebeuren of door mechanische kracht, zoals bij het gebruik van een ventilator. Een voorbeeld hiervan is wanneer u op een hete soeplepel blaast. U blaast op de lepel om de soep af te koelen en de lucht voert de warmte af.
Radiation heat transfer
Radiation treedt op wanneer een oppervlak elektromagnetische golven uitzendt. Alles, ook jij, zendt wat warmtestraling uit. Hoe heter een oppervlak is, hoe meer warmtestraling het zal uitzenden. Een voorbeeld hiervan is de zon. De warmte van de zon reist als elektromagnetische golven door de ruimte en bereikt ons met niets ertussen.
Gebruikte vloeistoffen
De vloeistoffen die in HVAC-systemen worden gebruikt, omvatten gewoonlijk water, stoom, lucht, koelmiddel of olie als de overdrachtsmedia. HVAC-warmtewisselaars doen gewoonlijk één van twee dingen, zij verwarmen of koelen lucht of water. Sommige worden gebruikt om apparatuur te koelen of te verwarmen om prestatieredenen, maar de meerderheid wordt gebruikt om lucht of water te conditioneren.
Typen warmtewisselaars.
De meeste warmtewisselaars volgen een van de twee ontwerpen. Ofwel een spiraalontwerp, ofwel een plaatontwerp. Laten we eens kijken naar de basisprincipes van hoe beide werken en dan zien hoe ze worden toegepast op veel voorkomende warmtewisselaars in systemen.
Spiraalwarmtewisselaars – vereenvoudigd
Spiraalwarmtewisselaars maken in hun eenvoudigste vorm gebruik van een of meer buizen die een aantal keren heen en weer lopen. De buis scheidt de twee vloeistoffen. De ene vloeistof stroomt binnenin de buis en de andere aan de buitenkant. Laten we eens kijken naar een voorbeeld van verwarming. De warmte wordt via convectie overgedragen van de hete binnenvloeistof naar de buiswand, deze geleidt zich vervolgens door de buiswand naar de andere kant en de buitenvloeistof voert deze eveneens via convectie af.
Plaatwarmtewisselaars – vereenvoudigd
Plaatwarmtewisselaars maken gebruik van dunne platen metaal om de twee vloeistoffen van elkaar te scheiden. De vloeistoffen stromen in het algemeen in tegengestelde richtingen om de warmteoverdracht te verbeteren. De warmte van de heetste vloeistof wordt geconvecteerd op de plaatwand en dan doorgeleid naar de andere kant. De andere vloeistof, die met een lagere temperatuur binnenkomt, voert deze dan af door convectie.
Laten we eens in meer detail bekijken hoe dit soort warmtewisselaars worden toegepast in HVAC-toepassingen.
Buisspiraal (vloeistof)
Buisspiralen worden vaak aangeduid als gewoon een spiraal, bijvoorbeeld de verwarmings- of koelingsspiraal. Deze komen zeer vaak voor. Ze zijn te vinden in luchtbehandelingskasten, ventilatorconvectoren, kanaalsystemen, verdampers en condensors van airconditioningsystemen, achter op koelkasten, in geulverwarmers, enz.
Bij deze warmtewisselaars stroomt water, koelmiddel of stoom gewoonlijk door de binnenkant en de lucht stroomt aan de buitenkant.
Bij het verwarmen van lucht bijvoorbeeld, met behulp van verwarmd water, stroomt het hete water in de buis en geeft zijn thermische energie via convectie af aan de buiswand, er is een temperatuurverschil tussen het hete water en de lucht, zodat de warmte door de buiswand wordt geleid. De lucht die aan de buitenkant passeert voert deze weg via convectie.
De vinnen verbinden gewoonlijk tussen alle pijpen, deze zitten direct in het pad van de luchtstroom en helpen warmte uit de pijp te trekken en in de lucht te krijgen omdat dit werkt als een uitbreiding van het oppervlak van de pijp. Meer oppervlakte = meer ruimte voor warmteoverdracht.
Ductplatenwarmtewisselaar
Ductplatenwarmtewisselaars worden gebruikt in luchtbehandelingskasten om thermische energie uit te wisselen tussen de inlaat- en uitlaatluchtstromen zonder dat er vocht wordt overgedragen en zonder dat de luchtstromen worden gemengd. De warmtewisselaar is gemaakt van dunne platen metaal, meestal aluminium, waarbij de twee vloeistoffen van verschillende temperatuur in tegengestelde diagonale richtingen stromen. Gewoonlijk wordt lucht gebruikt in beide, maar de uitlaatgassen van zoiets als een WKK-motor kunnen ook worden gebruikt.
De warmte van de ene stroom wordt geconvecteerd op de dunne platen metaal die de stromen scheiden, dit wordt dan geleid door het metaal waar het wordt weggevoerd door gedwongen convectie in de andere stroom.
Grachtverwarming
Grachtverwarmers worden rond de omtrek van een gebouw geïnstalleerd, gewoonlijk onder een raam of een glazen wand en komen vaak voor in nieuwe bedrijfsgebouwen. De verwarmingstoestellen worden in de vloer geïnstalleerd en moeten het warmteverlies door het glas verminderen en condensvorming voorkomen.
Zij doen dit door een muur van convecterende luchtstromen te creëren. Sleufverwarmers gebruiken gewoonlijk warm water of elektrische verwarmingselementen om de lucht te verwarmen. Hun positie op vloerniveau betekent dat ze toegang hebben tot de koudste lucht in de kamer. De warmtewisselaar brengt hierop warmte over via een lamellenbuis, waardoor de koude lucht opwarmt en opstijgt naar het plafond. Terwijl deze warme lucht opstijgt, stroomt koudere lucht in de kamer naar binnen om zijn plaats in te nemen. Hierdoor ontstaat een convectieve stroom en een thermische grens tussen het glas en de kamer.
Duct elektrische verwarmer – open coil element
Open coil verwarmingselementen worden meestal gebruikt in kanaaltoepassingen, ovens en soms fan coils. Deze werken met blootliggende spoelen van hoogohmig metaal om warmte op te wekken. Deze warmtewisselaars worden rechtstreeks in de luchtstroom geplaatst en wanneer de lucht over de spoelen stroomt, wordt de thermische energie via convectie overgedragen. Deze zorgen voor een gelijkmatige verwarming in de luchtstroom, hoewel deze alleen worden gebruikt waar het veilig is om dit te doen en kan niet gemakkelijk worden bereikt.
MicroChannel warmtewisselaars
Microchannel warmtewisselaars zijn een vooruitgang op de vinnen buis spoel het verstrekken van superieure warmte-uitwisseling, hoewel deze worden alleen gebruikt voor koeling en airconditioning systemen. U vindt dit type warmtewisselaars op luchtgekoelde koelers, condensing units, residentiële AC, luchtdrogers, cabinet koeling en rooftop units etc.
Dit type warmtewisselaars werken ook met behulp van convectie als hun belangrijkste methode van warmteoverdracht. De micro-kanaal warmtewisselaar heeft een eenvoudig ontwerp. Aan elke kant bevindt zich een kop, waartussen enkele platte buizen lopen met vinnen ertussen. De lucht passeert door de openingen in de vinnen om de thermische energie af te voeren.
Het koelmiddel komt binnen door de header en gaat dan door de platte buizen tot het de andere header bereikt. De headers bevatten baffels die de richting van de stroom van koelmiddel controleren en worden gebruikt om het koelmiddel door de buizen een aantal keer te lussen om de tijd te verhogen die binnen wordt doorgebracht en zo de kans te verhogen om thermische energie over te brengen.
In elke vlakke buis zijn een aantal kleine gaten die als microkanalen worden bekend die de volledige lengte van elke vlakke buis lopen. Deze microkanalen vergroten drastisch de oppervlakte van de warmtewisselaar, waardoor meer thermische energie uit het koelmiddel in de metalen behuizing van de warmtewisselaar terechtkomt. Het temperatuurverschil tussen het koelmiddel en de lucht leidt de warmte door de platte buisbehuizing naar de lamellen. De lucht die door de spleten stroomt, voert deze thermische energie via convectie af.
Verwarmingsspiraal van de oven
Verwarmingsverdampers van de oven worden vaak aangetroffen in grote woningen en kleine commerciële eigendommen met kleine kanaalsystemen. Er zijn grotere spoelen verkrijgbaar die volgens dezelfde principes werken, maar voor grotere systemen, meestal voor AHU’s in middelgrote tot grote commerciële gebouwen. De spoel in de verdamper van een oven werkt op dezelfde manier als een warmtewisselaar met gevinde buizen en gebruikt een koelmiddel aan de binnenkant met gekanaliseerde lucht aan de buitenkant. De lucht die over de buizen stroomt brengt zijn warmte over via geforceerde convectie, deze wordt vervolgens door de buiswand geleid via geleiding, het koelmiddel aan de binnenkant voert deze warmte af via geforceerde convectie, het koelmiddel kookt en verdampt weg naar de compressor.
Radiators
Deze komen vooral in Europa en Noord-Amerika veel voor in woningen en oudere commerciële gebouwen. Ze worden aan de muur gemonteerd, meestal onder een raam, om ruimte te verwarmen. Hun functie is zeer eenvoudig, zij zijn gewoonlijk aangesloten op een warmwaterleiding die wordt gevoed met warm water uit een boiler.
Het water komt binnen via een buis met kleine diameter en stroomt naar de binnenkant van de radiator. De binnenoppervlakte van de radiator is groter dan die van de pijp, waardoor de watersnelheid wordt vertraagd, zodat er meer tijd is om de warmte over te dragen.
De warmte van het water wordt door geleiding overgedragen op de metalen wanden van de radiator. Aan de buitenkant van de radiator bevindt zich de lucht van de kamer. Wanneer deze lucht in contact komt met het hete oppervlak van de radiator, wordt de warmte overgedragen op de lucht, waardoor de lucht uitzet en opstijgt. Koudere lucht stroomt dan naar binnen om deze lucht te vervangen, waardoor een voortdurende cyclus van bewegende lucht ontstaat die de kamer verwarmt, deze bewegende lucht is dus convectiewarmteoverdracht. De radiator heeft meestal een aantal vinnen aan de achterkant of tussen de panelen, vooral op nieuwe, deze zijn er alleen om het oppervlak van de radiator te vergroten om meer gelegenheid te bieden om warmte in de lucht over te brengen. Radiatoren worden ten onrechte zo genoemd omdat ze hun warmte meestal via convectie afgeven.
Soms vind je speciaal ontworpen radiatoren die zijn aangesloten op stoomsystemen, maar dit komt steeds minder vaak voor, vroeger werd ook olie gebruikt, maar dit is tegenwoordig vrij zeldzaam.
Waterverwarmingselement
Het waterverwarmingselement wordt meestal gevonden in calorifiers en waterverwarmers, het wordt soms ook gebruikt in het bassin van open koeltorens om te voorkomen dat het water bevriest in de winter. Deze maken gebruik van een metalen spoel langs de buis die een hoge weerstandswaarde heeft. Deze weerstand wekt warmte op. De spoel is geïsoleerd om de stroom in te dammen maar de stroom van thermische energie mogelijk te maken. Het verwarmingselement wordt ondergedompeld in een bak met water en de warmte wordt uit het element in het water geleid. Het water dat in contact komt met het verwarmingselement wordt daardoor verwarmd en stijgt in de tank, waarna koeler water binnenstroomt om het verwarmde water te vervangen en deze cyclus voort te zetten.
Roterend wiel
Dit soort warmtewisselaars wordt gewoonlijk gevonden in de luchtbehandelingskast tussen de toevoer- en afvoerluchtstromen. Ze werken met een kleine elektrische motor die verbonden is met een riem met pully’s om de schijf van de warmtewisselaar langzaam rond te draaien, die direct in de luchtstroom zit tussen de uitlaat en de inlaat van verse lucht. De lucht passeert recht door de schijf maar komt daarbij in aanraking met het materiaal van het wiel. Het materiaal van de warmtewisselaarschijf absorbeert de thermische energie van de ene luchtstroom en bij het draaien komt het in de tweede luchtstroom terecht waar het deze geabsorbeerde thermische energie zal afgeven. Dit type warmtewisselaar zal resulteren in een kleine hoeveelheid vloeistof vermenging tussen de inlaat en uitlaat luchtstroom als gevolg van de kleine spleten aanwezig waar het wiel draait, daarom kan het niet worden gebruikt waar sterke geuren of giftige dampen worden gebruikt.
Deze warmtewisselaars kunnen worden gebruikt in de wintermaanden om de warmte terug te winnen uit de gebouwen uitlaat stroom, deze warmte wordt opgevangen door de thermische wiel en overgebracht in de frisse lucht inlaat stroom die veel koeler zal zijn dan de lucht in het gebouw.
Deze warmtewisselaars kunnen ook in de zomermaanden worden gebruikt om koude lucht uit de uitlaat van het gebouw terug te winnen en te gebruiken om de inlaatlucht af te koelen.
Waterketel
Zulke grote ketels vindt men meestal in middelgrote tot grote commerciële gebouwen in koelere klimaten. Woningen en kleinere gebouwen gebruiken veel kleinere versies, meestal aan de muur gemonteerd. Beide hebben vele variaties, maar dit type is heel gebruikelijk.
In de verbrandingskamer wordt brandstof verbrand (gewoonlijk gas of olie) en de hete uitlaatgassen worden door een aantal buizen geperst totdat zij de schoorsteen bereiken en in de atmosfeer worden uitgestoten. De buizen en de verbrandingskamer zijn omgeven door water. De warmte conveert naar de buiswanden en wordt dan doorgeleid in het water, dat vervolgens door convectie wordt afgevoerd. Afhankelijk van het ontwerp van het systeem verlaat het water het systeem als verwarmd water of als stoom. Dit water wordt door een pomp geforceerd, de snelheid van de pomp en de hoeveelheid verbrande brandstof kunnen worden gevarieerd om de temperatuur en het debiet te wijzigen.
Warmtepijp
Je vindt deze in zonne-thermische boilers en sommige warmteterugwinningsluchtbehandelingscentrales. Als we kijken naar de zonthermische toepassing, hebben we een buis van speciaal glas die wordt ontdaan van alle lucht om een vacuüm te creëren en die vervolgens wordt afgedicht. De binnenlaag van de buis heeft een speciale coating. De coating en het vacuüm werken samen om te voorkomen dat de warmte kan ontsnappen zodra deze de buis binnenkomt, en helpt deze vervolgens te verplaatsen naar de heat pipe in het midden.
De heat pipe heeft aan elke kant een vin die is verbonden met de coating van de buis om de thermische energie op te vangen.
De heat pipe is een afgedichte, lange, holle koperen pijp die over de lengte van de glazen buis loopt en aan de bovenkant een uitstekende blub heeft. De bol is verbonden met een kopstuk en koel water wordt door het kopstuk geleid om over de bolkop te gaan.
In de heat pipe bevindt zich een watermengsel dat onder zeer lage druk wordt gehouden. Door deze lage druk kan het water verdampen tot stoom met weinig toevoeging van warmte. De stoom stijgt dan op in de bol, waar hij zijn warmte afgeeft aan het water dat door de kop stroomt. Terwijl de stoom zijn warmte afgeeft, condenseert hij en valt terug naar beneden om de cyclus te herhalen. De buis absorbeert thermische straling, die vervolgens in de buis wordt geleid. Het water in de buis conveceert dit tot aan de bol, de warmte wordt door de buiswand geleid en door convectie afgevoerd in de waterstroom.
Koelbalk
Er zijn twee soorten koelbalken in gebruik, passieve en actieve. Beide worden vooral toegepast in commerciële gebouwen.
Actieve koelconvectoren passeren een koele vloeistof, meestal water, door een warmtewisselaar met gevinde buizen. Vervolgens wordt lucht in de koelconvector geleid, die door speciaal geplaatste düsen naar buiten stroomt. Deze lucht beweegt over de koelribben en blaast de koude lucht de ruimte in. Er wordt dus gebruik gemaakt van geforceerde convectie.
Passieve koelconvectoren maken ook gebruik van een warmtewisselaar met gevinde buizen, maar hebben geen kanaal voor de toevoer van lucht. In plaats daarvan creëren ze een natuurlijke convectiestroom door de warme lucht op plafondniveau af te koelen. Deze afgekoelde lucht zakt vervolgens naar beneden en wordt vervangen door warmere lucht, waar de cyclus zich herhaalt.
Haardverwarming
Haardverwarmingstoestellen zijn gebruikelijk in woningen met gekanaliseerde airconditioning. Ze zijn heel gebruikelijk in Noord-Amerika. Voor de luchtverhitters wordt gebruik gemaakt van een warmtewisselaar die rechtstreeks in het luchtkanaal wordt geplaatst. De brandstof wordt verbrand en het hete gas wordt door de warmtewisselaar gestuurd, de warmte hiervan wordt in de wanden van de warmtewisselaar geleid, de koelere gekanaliseerde lucht passeert over de andere kant waardoor een temperatuurverschil ontstaat zodat de warmte van het gas door de wand wordt geleid en door convectie wordt afgevoerd.
Plaatwarmtewisselaar
Er zijn twee hoofdtypen platenwarmtewisselaars, type pakking en type gesoldeerde plaat. Deze zijn beide zeer effectief in het overbrengen van thermische energie, voor een nog grotere efficiëntie en compact ontwerp kunt u micro-plaat warmtewisselaars gebruiken voor vele toepassingen. We hebben al deze warmtewisselaars in groot detail eerder behandeld.
De basis dingen om te weten over deze twee soorten warmtewisselaars is dat pakking type kan worden gedemonteerd, de verwarming of koeling capaciteit kan worden verhoogd of verlaagd eenvoudig door het toevoegen of verwijderen van warmteoverdracht platen. Deze worden vooral gebruikt in hoge commerciële gebouwen om koelers, boilers en koeltorens indirect aan te sluiten op de verwarmings- en koelcircuits en om gebouwen aan te sluiten op stadsnetwerken.
Brazed platenwarmtewisselaars zijn verzegelde eenheden die niet kunnen worden gedemonteerd, hun verwarmings- of koelcapaciteit ligt vast. Zij worden gebruikt voor toepassingen zoals warmtepompen, combiketels, warmte-interface-units, indirect aansluitende calorifiers, enz.
Beide werken door vloeistoffen, gewoonlijk in tegengestelde richtingen, in aangrenzende kanalen te laten stromen. De vloeistoffen zijn gewoonlijk water en of koelmiddel. De thermische energie wordt op de plaat geconvecteerd, vervolgens door de plaat geleid en de vloeistof aan de andere kant voert deze door convectie af.
Warmtepompen
Warmtepompen worden meestal in woningen gebruikt, maar soms ook in bedrijfspanden. Er zijn twee hoofdtypen warmtepompen: lucht- en grondwarmtepompen. Luchtwarmtepompen worden meestal gebruikt voor het verwarmen van lucht, terwijl grondwarmtepompen meestal worden gebruikt voor het verwarmen van water.
Luchtwarmtepompen werken als een airconditioningsysteem, maar dan omgekeerd: in plaats van warmte aan een ruimte te onttrekken, voegt het warmte toe. Een koelmiddel stroomt van de compressor naar de binnenunit die een warmtewisselaar met gevinde buizen bevat. Het koelmiddel geeft zijn warmte via convectie af aan de wanden van de buis en wordt vervolgens naar de andere kant geleid. Aan de andere kant bevindt zich de koude lucht van de kamer die door een kleine ventilator over de warmtewisselaar wordt geperst, deze voert vervolgens de warmte af via convectie. Het koelmiddel stroomt dan naar het expansieventiel en vervolgens naar de buitenunit die ook een vinnenbuiswarmtewisselaar of een microkanaalwarmtewisselaar is.
Als de lucht door deze warmtewisselaar stroomt, zal de omgevingslucht ervoor zorgen dat het koelmiddel gaat koken en warmte oppikt. Deze warmte gaat dan via de compressor naar de binnenunit om de cyclus te herhalen.
Grondbron werkt een beetje anders. Een mengsel van water en antivries wordt door pijpen in de grond gepompt om warmte op te nemen. Dit wordt vervolgens via een gesoldeerde platenwarmtewisselaar overgebracht in een kleine koelcyclus. Het koelmiddel voert dit naar een tweede gesoldeerde platenwarmtewisselaar die is verbonden met een andere waterlus die deze keer zijn warmte overdraagt aan een warmwatertank, gewoonlijk via een spiraalvormige niet-vertinde buis.
Shell and tube
Shell and tube warmtewisselaars worden meestal gevonden in koelers op de verdamper en of condensor, soms ook als een smeeroliekoeler.
Dit zijn mogelijk de eenvoudigste ontwerpen van warmtewisselaars. Zij hebben een buitencontainer die shell wordt genoemd. Binnen de mantel bevinden zich een aantal pijpen die buizen worden genoemd. De buizen bevatten een vloeistof en de mantel bevat een andere vloeistof. De twee vloeistoffen zijn altijd gescheiden door de wanden van de buizen, zij komen elkaar nooit tegen en vermengen zich niet. De vloeistoffen hebben verschillende temperaturen, waardoor de thermische energie tussen de vloeistoffen wordt overgedragen en deze thermische energie door de wanden van de buizen gaat. Bij gebruik in de verdamper of de condensor zijn de twee vloeistoffen water en koelmiddel. Afhankelijk van het ontwerp bevindt het water zich in de buis of in de mantel en het koelmiddel in de andere.
Koelmachine
In een koelmachine wordt gebruik gemaakt van een shell and tube warmtewisselaar, een platenwarmtewisselaar of een warmtewisselaar met vinnen. Veel koelers maken gebruik van een combinatie van al deze mogelijkheden. Een luchtgekoelde koelmachine kan bijvoorbeeld een shell and tube-warmtewisselaar gebruiken voor de verdamper, een warmtewisselaar met gevinde buizen of microkanalen voor de condensor, een gesoldeerde platenwarmtewisselaar voor de oliesmeerkoeling van de compressoren en een pakkingplatenwarmtewisselaar om de koelmachine indirect te verbinden met het centrale koelcircuit.