Schimbătoare de căldură HVAC explicate. În acest articol vom discuta despre diferitele tipuri de schimbătoare de căldură utilizate în aplicațiile HVAC și în serviciile de construcții, atât pentru proprietăți rezidențiale, cât și comerciale. Vom analiza, de asemenea, modul în care acestea sunt aplicate la componentele sistemului pentru a condiționa mediul construit, acoperind principiul de funcționare al schimbătoarelor de căldură HVAC obișnuite, cu ajutorul unor animații.
Derulați până jos pentru a viziona tutorialul video – include animații detaliate pentru fiecare schimbător de căldură!
🏆 Verificați varietatea largă de schimbătoare de căldură Danfoss din lumea reală, faceți clic aici
Schimbatoarele de căldură Danfoss sporesc eficiența, reduc încărcătura de agent frigorific și economisesc spațiu în sistemul dumneavoastră HVAC. Puteți găsi întreaga gamă și puteți afla mai multe despre fiecare dintre ele pe site-ul Danfoss. Aflați mai multe despre schimbătoarele de căldură Danfoss: link aici
Ce este un schimbător de căldură?
Un schimbător de căldură este exact ceea ce sugerează numele, un dispozitiv utilizat pentru a transfera (schimba) căldura sau energia termică. Schimbătoarele de căldură primesc fie un fluid cald pentru a asigura încălzirea, fie un fluid rece pentru a asigura răcirea.
- Un fluid poate fi fie un lichid, fie un gaz
- Căldura curge întotdeauna de la cald la rece
- Trebuie să existe o diferență de temperatură pentru ca căldura să circule
Cum se face schimbul de căldură?
Energia termică este transferată prin trei metode.
- Conducție
- Convecție
- Radiație
Majoritatea schimbătoarelor de căldură în scopuri HVAC utilizează convecția și conducția. Transferul de căldură prin radiație are loc, dar reprezintă doar un procent mic.
Transferul de căldură prin conducție
Conducția are loc atunci când două materiale de temperaturi diferite se ating fizic. De exemplu, punem o ceașcă de cafea fierbinte pe o masă timp de câteva minute, apoi scoatem ceașca, masa va fi condus o parte din această energie termică.
Transferul de căldură prin convecție
Convecția are loc atunci când fluidele se deplasează și transportă energia termică. Acest lucru poate avea loc în mod natural sau prin forță mecanică, cum ar fi utilizarea unui ventilator. Un exemplu în acest sens este atunci când suflați pe o lingură fierbinte de supă. Suflați pe lingură pentru a răci supa, iar aerul transportă această căldură.
Transferul de căldură prin radiație
Transferul de căldură prin radiație are loc atunci când o suprafață emite unde electromagnetice. Totul, inclusiv dumneavoastră, emite o anumită radiație termică. Cu cât o suprafață este mai caldă, cu atât mai multă radiație termică va emite. Un exemplu în acest sens ar fi soarele. Căldura de la soare călătorește sub formă de unde electromagnetice prin spațiu și ajunge la noi fără nimic între ele.
Fluidele utilizate
Fluidele utilizate în sistemul HVAC includ, de obicei, apă, abur, aer, agent frigorific sau ulei ca medii de transfer. Schimbătoarele de căldură HVAC fac de obicei unul din două lucruri: fie încălzesc, fie răcesc aerul sau apa. Unele sunt folosite pentru a răci sau încălzi echipamentele din motive de performanță, dar majoritatea sunt folosite pentru a condiționa aerul sau apa.
Tipuri de schimbătoare de căldură.
Majoritatea schimbătoarelor de căldură urmează unul dintre cele două modele. Fie modelul cu serpentine, fie modelul cu plăci. Să aruncăm o privire la elementele de bază ale modului în care funcționează ambele și apoi să vedem cum sunt aplicate la schimbătoare de căldură obișnuite în sisteme.
Schimbătoare de căldură cu serpentină – simplificat
Schimbatoarele de căldură cu serpentină, în forma lor cea mai simplă, utilizează unul sau mai multe tuburi care se deplasează înainte și înapoi de mai multe ori. Tubul separă cele două fluide. Un fluid curge în interiorul tubului și altul în exterior. Să ne uităm la un exemplu de încălzire. Căldura este transferată de la fluidul interior fierbinte la peretele tubului prin convecție, apoi se conduce prin peretele tubului spre cealaltă parte, iar fluidul exterior o transportă tot prin convecție.
Schimbătoare de căldură cu plăci – simplificat
Schimbatoarele de căldură cu plăci folosesc plăci subțiri de metal pentru a separa cele două fluide. Fluidele curg, în general, în direcții opuse pentru a îmbunătăți transferul de căldură. Căldura fluidului cel mai fierbinte este convectată pe peretele plăcii și apoi condusă prin ea spre cealaltă parte. Celălalt fluid, care intră la o temperatură mai scăzută, o transportă apoi prin convecție.
Să vedem mai în detaliu cum se aplică aceste tipuri de schimbătoare de căldură în aplicațiile HVAC.
Serpentină cu tuburi laminate (fluid)
Tuburile laminate sunt adesea denumite pur și simplu serpentină, de exemplu, serpentina de încălzire sau de răcire. Acestea sunt extrem de comune. Le veți găsi în unitățile de tratare a aerului, în ventiloconvectoare, în sistemele de conducte, în evaporatoarele și condensatoarele sistemelor de aer condiționat, în partea din spate a frigiderelor, în încălzitoarele de șanțuri, iar lista poate continua.
Pentru aceste schimbătoare de căldură, apa, agentul frigorific sau aburul circulă de obicei prin interior, iar aerul circulă în exterior.
De exemplu, atunci când se utilizează pentru încălzirea aerului, folosind apă încălzită, apa caldă curge în interiorul tubului și își transferă energia termică prin convecție către peretele tubului, există o diferență de temperatură între apa caldă și aer, astfel încât căldura este condusă prin peretele tubului. Aerul care trece prin exterior o transportă prin convecție.
Aletelele se conectează de obicei între toate țevile, acestea sunt așezate direct în calea fluxului de aer și ajută la extragerea căldurii din țeavă și transmiterea ei în aer, deoarece acționează ca o extensie a suprafeței țevii. Mai multă suprafață = mai mult spațiu pentru transferul de căldură.
Schimbător de căldură cu plăci de conductă
Schimbatoarele de căldură cu plăci de conductă sunt utilizate în unitățile de tratare a aerului pentru a face schimb de energie termică între fluxurile de aer de admisie și de evacuare fără ca umiditatea să fie transferată și fără ca fluxurile de aer să fie amestecate. Schimbătorul de căldură este realizat din foi subțiri de metal, de obicei aluminiu, cu cele două fluide de temperaturi diferite care circulă în direcții diagonale opuse. De obicei, în ambele fluxuri se folosește aer, dar se pot folosi și gazele de eșapament de la ceva de genul unui motor de cogenerare.
Căldura dintr-un flux este convectată pe foile subțiri de metal care separă fluxurile, aceasta este apoi condusă prin metal, de unde este transportată prin convecție forțată în celălalt flux.
Încălzitor de șanț
Încălzitoarele de șanț sunt instalate în jurul perimetrului unei clădiri, de obicei sub o fereastră sau un perete de sticlă și sunt foarte frecvente în clădirile comerciale noi. Încălzitoarele de șanț sunt instalate în podea și scopul lor este de a reduce pierderile de căldură prin geam, precum și de a preveni formarea condensului.
Ele fac acest lucru prin crearea unui perete de curenți de aer de convecție. Încălzitoarele de șanțuri folosesc de obicei apă caldă sau elemente de încălzire electrică pentru a încălzi aerul. Poziția lor la nivelul podelei înseamnă că au acces la cel mai rece aer din încăpere. Schimbătorul de căldură transferă căldura către acesta prin intermediul unui tub cu aripioare, ceea ce face ca aerul rece să se încălzească și să se ridice spre tavan. Pe măsură ce acest aer cald se ridică în sus, aerul mai rece din încăpere se va grăbi să îi ia locul. Acest lucru creează un curent de convecție și o graniță termică între geam și încăpere.
Încălzitor electric de conductă – element cu serpentină deschisă
Elementele de încălzire cu serpentină deschisă sunt folosite mai ales în aplicații de conducte, cuptoare și, uneori, în ventiloconvectoare. Acestea funcționează folosind bobine vii expuse de metal foarte rezistiv pentru a genera căldură. Aceste schimbătoare de căldură sunt plasate direct în fluxul de aer și, pe măsură ce aerul trece prin serpentine, energia termică este transferată prin convecție. Acestea asigură o încălzire uniformă de-a lungul curentului de aer, deși sunt utilizate numai acolo unde este sigur și nu pot fi accesate cu ușurință.
Schimbătoare de căldură cu microcanal
Schimbatoarele de căldură cu microcanal reprezintă un progres al serpentinelor cu tuburi cu aripioare, asigurând un schimb de căldură superior, deși acestea sunt utilizate numai pentru sistemele de refrigerare și de aer condiționat. Puteți găsi acest tip de schimbătoare de căldură la răcitoarele răcite cu aer, la unitățile de condensare, la aparatele de aer condiționat rezidențiale, la uscătoarele de aer, la unitățile de răcire a dulapurilor și la unitățile de acoperiș etc.
Acest tip de schimbătoare de căldură funcționează, de asemenea, folosind convecția ca principală metodă de transfer de căldură. Schimbătorul de căldură cu microcanal are un design simplu. Pe fiecare parte se află un colector, între fiecare colector se află niște tuburi plate cu aripioare între ele. Aerul trece prin golurile din aripioare pentru a transporta energia termică.
Refrigerantul intră prin colector și apoi trece prin tuburile plate până când ajunge la celălalt colector. Capacele conțin deflectoare care controlează direcția fluxului de agent frigorific și sunt folosite pentru a face o buclă a agentului frigorific prin tuburi de mai multe ori pentru a mări timpul petrecut în interior și a crește astfel oportunitatea de a transfera energia termică.
În interiorul fiecărui tub plat se află un număr de găuri mici, cunoscute sub numele de microcanale, care se întind pe întreaga lungime a fiecărui tub plat. Aceste microcanale măresc dramatic suprafața schimbătorului de căldură, ceea ce permite ca mai multă energie termică să iasă din refrigerant și să ajungă în carcasa metalică a schimbătorului de căldură. Diferența de temperatură dintre refrigerant și aer face ca căldura să treacă prin carcasa tuburilor plate și să ajungă în aripioare. Pe măsură ce aerul trece prin fante, el transportă această energie termică prin convecție.
Serpentina de evaporare a cuptorului
Evaporatoarele cuptorului se găsesc de obicei în casele mari și în proprietățile comerciale mici cu sisteme mici de conducte. Puteți obține serpentine mai mari care funcționează pe principii similare, dar pentru sisteme mai mari, mai ales pentru UTA-urile din clădirile comerciale medii și mari. Serpentina din interiorul unui evaporator de cuptor funcționează la fel ca un schimbător de căldură cu tuburi cu aripioare și utilizează un agent frigorific în interior cu aerul canalizat în exterior. Aerul care trece prin tuburi își transferă căldura prin convecție forțată, aceasta este apoi transferată prin peretele tubului prin conducție, agentul frigorific din interior transportă această căldură prin convecție forțată, agentul frigorific fierbe și se evaporă până la compresor.
Radiatoare
Acestea sunt foarte comune, în special în Europa și în America de Nord, în case și în clădirile comerciale mai vechi. Acestea sunt montate pe pereți, de obicei sub o fereastră, pentru a asigura încălzirea spațiului. Funcția lor este foarte simplă, de obicei sunt conectate la o conductă de apă caldă care este alimentată cu apă caldă de la un boiler.
Apa intră printr-o conductă cu diametru mic și curge în interiorul radiatorului. Suprafața internă a radiatorului este mai mare decât cea a țevii, ceea ce încetinește viteza apei pentru a lăsa mai mult timp pentru transferul de căldură.
Căldura apei este transferată prin conducție către pereții metalici ai radiatorului. La exteriorul radiatorului se află aerul din încăpere. Când acest aer vine în contact cu suprafața fierbinte a radiatorului, căldura se va transfera în aer și acest lucru va face ca aerul să se dilate și să se ridice. Aerul mai rece se deplasează apoi pentru a înlocui acest aer, provocând un ciclu continuu de aer în mișcare care încălzește încăperea; acest aer în mișcare este, prin urmare, un transfer de căldură prin convecție. Radiatorul are, de obicei, câteva aripioare conectate în partea din spate sau între panouri, în special la cele noi, care au rolul de a extinde suprafața radiatorului pentru a oferi mai multe posibilități de a transfera căldura în aer. Radiatoarele sunt denumite incorect, deoarece transferă în principal prin convecție.
Câteodată veți găsi radiatoare special concepute conectate la sisteme de abur, dar acest lucru este din ce în ce mai puțin obișnuit, se folosea și uleiul, dar acest lucru este destul de rar în zilele noastre.
Elementul de încălzire a apei
Elementul de încălzire a apei se găsește de obicei în calorifere și în încălzitoarele de apă, este, de asemenea, folosit uneori în bazinul turnurilor de răcire deschise pentru a preveni înghețarea apei în timpul iernii. Acestea utilizează o bobină metalică de-a lungul tubului care are o valoare ridicată a rezistenței. Această rezistență generează căldură. Bobina este izolată pentru a conține fluxul de curent, dar permite fluxul de energie termică. Elementul de încălzire este scufundat într-un rezervor de apă, iar căldura este condusă afară din element și în apă. Apa care intră în contact cu elementul de încălzire se încălzește, ceea ce o face să crească în rezervor, iar apa mai rece intră apoi pentru a înlocui apa încălzită, unde acest ciclu va continua.
Rotă rotativă
Acest tip de schimbătoare de căldură se găsește de obicei în cadrul unității de tratare a aerului, între fluxurile de aer de alimentare și de extracție. Acestea funcționează prin utilizarea unui mic motor electric conectat la o curea cu scripete pentru a roti lent discul schimbătorului de căldură care se află direct în fluxul de aer între evacuarea și admisia de aer proaspăt. Aerul trece direct prin disc, dar, în acest fel, intră în contact cu materialul roții. Materialul discului schimbătorului de căldură absoarbe energia termică dintr-un flux de aer și, pe măsură ce se rotește, intră în cel de-al doilea flux de aer, unde va elibera această energie termică absorbită. Acest tip de schimbător de căldură va avea ca rezultat o cantitate mică de amestec de fluid între fluxul de aer de admisie și cel de evacuare, datorită micilor spații prezente în locul în care se rotește roata, prin urmare nu poate fi utilizat în cazul în care se folosesc mirosuri puternice sau vapori toxici.
Aceste schimbătoare de căldură pot fi utilizate în lunile de iarnă pentru a recupera căldura din fluxul de evacuare al clădirilor, această căldură este captată de roata termică și transferată în fluxul de admisie a aerului proaspăt, care va fi mult mai rece decât aerul din interiorul clădirii.
Aceste schimbătoare de căldură pot fi, de asemenea, utilizate în lunile de vară pentru a recupera aerul rece din gazele de evacuare ale clădirilor și pentru a-l folosi la răcirea aerului proaspăt de admisie.
Căldură de apă
Călduri mari de acest tip se găsesc mai ales în clădirile comerciale de dimensiuni medii și mari din climatele mai reci. Casele și clădirile mai mici vor folosi versiuni mult mai mici, de obicei montate pe perete. Ambele au multe variante, dar acest tip este foarte comun.
Combustibilul este ars în camera de combustie (de obicei gaz sau petrol), iar gazele de eșapament fierbinți sunt forțate printr-un număr de tuburi până când ajung la coșul de fum și sunt eliberate în atmosferă. Tuburile și camera de ardere sunt înconjurate de apă. Căldura convectează către pereții tuburilor și este apoi condusă prin apă, aceasta fiind apoi transportată prin convecție. În funcție de designul sistemului, apa iese fie sub formă de apă încălzită, fie sub formă de abur. Această apă este forțată de o pompă, viteza pompei, precum și cantitatea de combustibil arsă pot fi variate pentru a modifica temperatura și debitul.
Tava de căldură
Ceastea se găsesc la încălzitoarele de apă termice solare și la unele serpentine de recuperare a căldurii din UTA. Dacă ne uităm la aplicația termică solară, avem un tub fabricat din sticlă specială care este evacuat de tot aerul pentru a crea un vid și apoi este sigilat. Stratul interior al tubului are un strat special de acoperire. Învelișul și vidul lucrează împreună pentru a împiedica căldura să poată ieși odată ce intră în tub, apoi ajută la deplasarea acesteia către conducta de căldură din centru.
Conducta de căldură are o aripioară pe fiecare parte conectată la învelișul tubului pentru a capta energia termică.
Conducta de căldură este o țeavă de cupru sigilată, lungă și goală, care se întinde pe toată lungimea tubului de sticlă și are un blub proeminent în partea de sus. Bulbul este conectat într-un colector și apa rece este trecută prin colector pentru a trece prin capul bulbului.
În interiorul țevii de căldură se află un amestec de apă menținut la o presiune foarte scăzută. Această presiune scăzută permite apei să se evapore în abur cu puțin adaos de căldură. Aburul urcă apoi în bulb, unde își va ceda căldura în apa care curge prin captator. Pe măsură ce își cedează căldura, aburul se condensează și coboară înapoi pentru a repeta ciclul. Tubul absoarbe radiația termică, care este apoi condusă în tub. Apa din interior convectează acest lucru până la bulb, căldura este condusă prin peretele țevii și este transportată prin convecție în curentul de apă.
Fereastra de răcire
Există două tipuri de raze de răcire utilizate, pasive și active. Ambele sunt folosite mai ales în clădirile comerciale.
Fereastra de răcire activă funcționează prin trecerea unui lichid rece, de obicei apă, printr-un schimbător de căldură cu tuburi cu aripioare. Aerul este apoi canalizat în fasciculul răcit și iese prin duze special poziționate. Acest aer se deplasează peste tubul cu aripioare și suflă aerul rece în încăpere. Prin urmare, se folosește convecția forțată.
Fereșele frigorifice pasive vor folosi, de asemenea, un schimbător de căldură cu tuburi cu aripioare, dar nu au conectată o conductă de alimentare cu aer. În schimb, ele creează un curent de convecție naturală prin răcirea aerului cald la nivelul tavanului. Acest aer răcit se scufundă apoi și este înlocuit cu aer mai cald, unde ciclul se repetă.
Încălzitor de cuptor
Încălzitoarele de cuptor sunt comune în casele cu aer condiționat prin conducte. Acestea sunt foarte frecvente în America de Nord. Încălzitoarele de cuptor utilizează un schimbător de căldură plasat direct în aburul de aer canalizat. Combustibilul este ars și gazul fierbinte este trimis prin schimbătorul de căldură, căldura acestuia este convectată în pereții schimbătorului de căldură, aerul mai rece din conductă trece prin cealaltă parte cauzând o diferență de temperatură astfel încât căldura gazului este condusă prin perete și va fi transportată prin convecție.
Schimbător de căldură cu plăci
Există două tipuri principale de schimbătoare de căldură cu plăci, de tip garnitură și de tip placă brazată. Ambele sunt foarte eficiente în transferul de energie termică, pentru o eficiență și mai mare și un design compact puteți utiliza schimbătoare de căldură cu microplăci pentru multe aplicații. Am acoperit toate aceste schimbătoare de căldură în detaliu anterior.
Cele de bază pe care trebuie să le știm despre aceste două tipuri de schimbătoare de căldură este că tipul cu garnitură poate fi demontat, capacitatea sa de încălzire sau de răcire poate fi mărită sau redusă prin simpla adăugare sau îndepărtare a plăcilor de transfer termic. Le veți găsi utilizate în special în proprietățile comerciale înalte pentru a conecta indirect răcitoarele, cazanele și turnurile de răcire la circuitele de încălzire și răcire și pentru a conecta clădirile la rețelele de energie urbană.
Schimbatoarele de căldură cu plăci brazate sunt unități etanșate care nu pot fi demontate, capacitatea lor de încălzire sau răcire este fixă. Acestea sunt utilizate pentru aplicații precum, pompe de căldură, cazane combinate, unități de interfață termică, calorifere de legătură indirectă etc.
Ambele funcționează prin trecerea fluidelor, de obicei în direcții opuse, în canale adiacente. Fluidele sunt de obicei apă și sau agent frigorific. Energia termică este convectată pe placă, apoi este condusă prin placă, iar fluidul de pe cealaltă parte o transportă prin convecție.
Pompele de căldură
Pompele de căldură sunt folosite mai ales în locuințe, dar uneori și în proprietăți comerciale. Există două tipuri principale de pompe de căldură sursa de aer și sursa de sol. Sursa de aer este folosită în mod obișnuit pentru încălzirea aerului din spații, în timp ce sursa subterană este mai frecvent utilizată pentru încălzirea apei.
Sursa de aer funcționează ca un sistem de aer condiționat, dar în sens invers, în loc să elimine căldura dintr-o încăpere, o adaugă. Un agent frigorific trece de la compresor la unitatea interioară care conține un schimbător de căldură cu tuburi cu aripioare. Agentul frigorific își transferă căldura prin convecție către pereții tuburilor, aceasta fiind apoi condusă prin cealaltă parte. Pe cealaltă parte se află aerul rece din încăpere, care este forțat să treacă prin schimbătorul de căldură de un mic ventilator, acesta transportând apoi căldura prin convecție. Agentul frigorific trece apoi spre supapa de expansiune și apoi spre unitatea exterioară care este, de asemenea, un schimbător de căldură cu tuburi cu aripioare sau un schimbător de căldură cu microcanale.
În timp ce aerul trece prin acest schimbător de căldură, aerul ambiant va face ca agentul frigorific să fiarbă și să preia căldura. Această căldură își face apoi drum prin compresor către unitatea interioară pentru a repeta ciclul.
Sursa de sol funcționează puțin diferit. Un amestec de apă și antigel este pompat prin țevi în pământ pentru a capta căldura. Aceasta este apoi transferată într-un mic ciclu de refrigerare prin intermediul unui schimbător de căldură cu plăci brazate. Agentul frigorific transportă această căldură către un al doilea schimbător de căldură cu plăci brazate, care este conectat la o altă buclă de apă, de data aceasta transferându-și căldura într-un rezervor de apă caldă, de obicei prin intermediul unui tub spiralat fără aripioare.
Schimbător de căldură cu coajă și tuburi
Schimbatoarele de căldură cu coajă și tuburi se găsesc de obicei în răcitoare pe evaporator și sau condensator, uneori și ca răcitor al uleiului de lubrifiere.
Este este posibil să fie cel mai simplu tip de schimbător de căldură. Ele au un recipient exterior cunoscut sub numele de înveliș. În interiorul învelișului se află un număr de țevi cunoscute sub numele de tuburi. Tuburile conțin un fluid, iar carcasa conține un alt fluid. Cele două fluide sunt întotdeauna separate de pereții tuburilor, nu se întâlnesc și nu se amestecă niciodată. Fluidele se vor afla la temperaturi diferite, ceea ce determină transferul de energie termică între fluide, iar această energie termică va trece prin pereții tuburilor. Atunci când sunt utilizate în evaporator sau condensator, cele două fluide vor fi apa și refrigerantul. În funcție de proiect, apa poate fi în înveliș sau în tub, iar refrigerantul va fi în celălalt.
Chiller
Un chiller va folosi fie un schimbător de căldură cu înveliș și tuburi, fie un schimbător de căldură cu plăci sau un schimbător de căldură cu tuburi cu aripioare. Multe răcitoare vor folosi, de fapt, o combinație a tuturor acestora. De exemplu, un răcitor răcit cu aer poate folosi un schimbător de căldură cu înveliș și tuburi pentru evaporator, un schimbător de căldură cu tuburi cu aripioare sau cu microcanale pentru condensator, un schimbător de căldură cu plăci brazate pentru răcirea uleiului de lubrifiere a compresoarelor și un schimbător de căldură cu plăci cu garnituri pentru a conecta indirect răcitorul la circuitul central de răcire.
.