VVS-värmeväxlare förklarade. I den här artikeln kommer vi att diskutera de olika typerna av värmeväxlare som används i HVAC- och byggnadstekniska tillämpningar för både bostäder och kommersiella fastigheter. Vi kommer också att titta på hur dessa tillämpas på systemkomponenter för att konditionera den byggda miljön och täcker arbetsprincipen för vanliga HVAC-värmeväxlare med animationer.
Rulla till botten för att titta på videohandledningen – innehåller detaljerade animationer för varje värmeväxlare!
🏆 Kolla in det breda utbudet av Danfoss-värmeväxlare i verkligheten klicka här
Danfoss-värmeväxlare ökar effektiviteten, minskar köldmedieladdningen och sparar utrymme i ditt HVAC-system. Du kan hitta hela sortimentet och lära dig mer om varje enskild värmeväxlare på Danfoss webbplats. Läs mer om Danfoss värmeväxlare: länk här
Vad är en värmeväxlare?
En värmeväxlare är precis vad namnet antyder, en anordning som används för att överföra (utbyta) värme eller värmeenergi. Värmeväxlare får antingen en varm vätska som ger värme eller en kall vätska som ger kyla.
- En vätska kan vara antingen en vätska eller en gas
- Värme flödar alltid från varmt till kallt
- Det måste finnas en temperaturskillnad för att värme ska kunna flöda
Hur sker värmeväxling?
Värmeenergi överförs via tre metoder.
- Konduktion
- Konvektion
- Strålning
De flesta värmeväxlare för HVAC-ändamål använder konvektion och konduktion. Strålningsvärmeöverföring förekommer men utgör endast en liten procent.
Konduktionsvärmeöverföring
Konduktion inträffar när två material med olika temperaturer fysiskt berörs. Om vi till exempel ställer en varm kopp kaffe på ett bord i några minuter och sedan tar bort koppen kommer bordet att ha lett en del av denna värmeenergi.
Konvektionsvärmeöverföring
Konvektion uppstår när vätskor rör sig och för bort värmeenergin. Detta kan ske naturligt eller genom mekanisk kraft, till exempel med hjälp av en fläkt. Ett exempel på detta är när du blåser på en varm sked med soppa. Du blåser skeden för att kyla ner soppan och luften för bort denna värme.
Strålningsvärmeöverföring
Strålning uppstår när en yta avger elektromagnetiska vågor. Allting, även du, avger en viss värmestrålning. Ju varmare en yta är, desto mer värmestrålning avger den. Ett exempel på detta är solen. Värmen från solen färdas som elektromagnetiska vågor genom rymden och når oss utan något mellanrum.
Vätskor som används
Vätskorna som används i HVAC-system inkluderar vanligtvis vatten, ånga, luft, kylmedel eller olja som överföringsmedier. HVAC-värmeväxlare gör vanligtvis en av två saker, de värmer eller kyler antingen luft eller vatten. Vissa används för att kyla eller värma utrustning av prestandaskäl, men majoriteten används för att konditionera luft eller vatten.
Typer av värmeväxlare.
De flesta värmeväxlare följer en av två konstruktioner. Antingen spiral- eller plattdesign. Låt oss ta en titt på grunderna för hur båda dessa fungerar och sedan se hur de tillämpas på vanliga värmeväxlare i system.
Spiralvärmeväxlare – förenklat
Spiralvärmeväxlare i sin enklaste form använder ett eller flera rör som löper fram och tillbaka ett antal gånger. Röret separerar de två vätskorna. En vätska strömmar inuti röret och en annan strömmar på utsidan. Låt oss ta en titt på ett exempel på uppvärmning. Värme överförs från den varma inre vätskan till rörväggen via konvektion, den leds sedan genom rörväggen till andra sidan och den yttre vätskan för bort denna också via konvektion.
Plattvärmeväxlare – förenklat
Plattvärmeväxlare använder tunna metallplattor för att separera de två vätskorna. Vätskorna strömmar i allmänhet i motsatt riktning för att förbättra värmeöverföringen. Värmen från den varmaste vätskan konvekteras till plattans vägg och leds sedan igenom till den andra sidan. Den andra vätskan, som kommer in med lägre temperatur, transporterar sedan bort denna genom konvektion.
Låt oss titta närmare på hur dessa typer av värmeväxlare används i HVAC-tillämpningar.
Finnrörsbatteri (vätska)
Finnrör benämns ofta helt enkelt som en batteri, t.ex. värme- eller kylbatteri. Dessa är extremt vanliga. Du hittar dem i luftbehandlingsaggregat, fläktkonvektorer, kanalsystem, förångare och kondensatorer i luftkonditioneringssystem, på baksidan av kylskåp, i dikesvärmare, listan kan göras lång.
För dessa värmeväxlare strömmar vanligtvis vatten, köldmedium eller ånga genom insidan och luft strömmar på utsidan.
Till exempel, när det används för att värma upp luft med hjälp av uppvärmt vatten, strömmar det varma vattnet inuti röret och överför sin värmeenergi via konvektion till rörväggen, det finns en temperaturskillnad mellan det varma vattnet och luften så att värmen leds genom rörväggen. Luften som passerar på utsidan för bort denna via konvektion.
Finnorna ansluts vanligtvis mellan alla rören, dessa sitter direkt i luftflödets väg och hjälper till att dra ut värmen ur röret och få ut den i luften eftersom detta fungerar som en förlängning av rörets yta. Mer yta = mer utrymme för värmeöverföring.
Kanalplattvärmeväxlare
Kanalplattvärmeväxlare används i luftbehandlingsaggregat för att utbyta värmeenergi mellan intags- och utloppsluftströmmarna utan att fukt överförs och utan att luftströmmarna blandas. Värmeväxlaren är tillverkad av tunna plåtar av metall, vanligtvis aluminium, där de två vätskorna med olika temperaturer strömmar i motsatta diagonala riktningar. Vanligtvis används luft i båda men avgaserna från t.ex. en kraftvärmemotor kan också användas.
Värmen från den ena strömmen konvekteras till de tunna metallplåtarna som skiljer strömmarna åt, och leds sedan genom metallen där den transporteras bort genom tvångskonvektion till den andra strömmen.
Trench heaters
Trench heaters installeras runt omkretsen av en byggnad vanligtvis under ett fönster eller en glasvägg och är mycket vanliga i nya kommersiella byggnader. Trench heaters installeras i golvet och deras syfte är att minska värmeförlusten genom glaset samt att förhindra att kondens bildas.
Detta gör de genom att skapa en vägg av konvektiva luftströmmar. Trench heaters använder vanligtvis varmvatten eller elektriska värmeelement för att värma upp luften. Deras placering på golvnivå innebär att de har tillgång till den kallaste luften i rummet. Värmeväxlaren överför värme till denna via ett lamellrör, vilket gör att den kalla luften värms upp och stiger upp mot taket. När denna varma luft stiger uppåt kommer kallare luft i rummet att rusa in för att ta dess plats. Detta skapar en konvektiv ström och en termisk gräns mellan glaset och rummet.
Kanal elvärmare – öppet spolelement
Oppna spolvärmare används främst i kanalsystem, ugnar och ibland fläktspolar. Dessa fungerar med hjälp av exponerade spolar av högresistiv metall för att generera värme. Dessa värmeväxlare placeras direkt i luftflödet och när luften passerar över spolarna överförs värmeenergin via konvektion. Dessa ger jämn uppvärmning över luftströmmen även om dessa endast används där det är säkert att göra det och inte är lättåtkomligt.
Mikrokanalvärmeväxlare
Mikrokanalvärmeväxlare är ett framsteg på den flänsförsedda rörspiralen som ger en överlägsen värmeväxling även om dessa endast används för kyl- och luftkonditioneringssystem. Du kan hitta denna typ av värmeväxlare på luftkylda kylaggregat, kondensatorer, luftkonditioneringsaggregat för bostäder, lufttorkare, skåpkylning och takaggregat etc.
Denna typ av värmeväxlare fungerar också med konvektion som huvudsaklig metod för värmeöverföring. Mikrokanalvärmeväxlaren har en enkel konstruktion. På varje sida finns en förbindelse, och mellan varje förbindelse löper några platta rör med lameller emellan. Luft passerar genom luckorna i lamellerna för att transportera bort värmeenergin.
Köldmediet kommer in genom huvudledaren och passerar sedan genom de platta rören tills det når den andra huvudledaren. Fördelarna innehåller bafflar som styr riktningen på flödet av köldmedium och används för att slinga köldmediet genom rören ett antal gånger för att öka tiden i rören och därmed öka möjligheten att överföra värmeenergi.
Inuti varje platt rör finns ett antal små hål, så kallade mikrokanaler, som löper längs hela längden på varje platt rör. Dessa mikrokanaler ökar dramatiskt värmeväxlarens yta, vilket gör att mer värmeenergi kan komma ut ur köldmediet och in i värmeväxlarens metallhölje. Temperaturskillnaden mellan köldmediet och luften gör att värmen leds genom det platta rörhöljet och in i lamellerna. När luften passerar genom springorna transporterar den bort denna värmeenergi genom konvektion.
Furnace förångningsslinga
Furnace förångare finns vanligen i stora hem och små kommersiella fastigheter med små kanalsystem. Det går att få större förångarspiraler som fungerar enligt liknande principer men för större system, oftast för AHU:er i medelstora och stora kommersiella byggnader. Spiralen i en ugnsförångare fungerar på samma sätt som en värmeväxlare med lamellrör och använder ett köldmedium på insidan med ledningsluft på utsidan. Luften som passerar över rören överför sin värme via tvångskonvektion, detta överförs sedan genom rörväggen genom konduktion, köldmediet på insidan för bort denna värme genom tvångskonvektion, köldmediet kokar och avdunstar bort till kompressorn.
Radiatorer
De här är mycket vanliga framför allt i Europa och Nordamerika i hem och äldre kommersiella byggnader. De monteras på väggarna vanligtvis under ett fönster för att ge rumsuppvärmning. Deras funktion är mycket enkel, de är vanligtvis anslutna till ett varmvattenrör som matas med varmvatten från en panna.
Vattnet kommer in genom ett rör med liten diameter och rinner in i radiatorns insida. Radiatorns inre yta är större än rörets, vilket gör att vattnets hastighet minskar och ger mer tid för värmeöverföring.
Vattnets värme överförs genom konduktion till radiatorns metallväggar. På utsidan av radiatorn finns rummets luft. När denna luft kommer i kontakt med radiatorns varma yta kommer värmen att överföras till luften, vilket gör att luften expanderar och stiger. Kallare luft rör sig sedan in för att ersätta denna luft och orsakar en kontinuerlig cykel av rörlig luft som värmer upp rummet. Radiatorn har vanligtvis några lameller anslutna på baksidan eller mellan panelerna, särskilt på nya radiatorer, dessa är bara till för att utöka radiatorns yta för att ge större möjlighet att överföra värme till luften. Radiatorer är felaktigt benämnda eftersom de överförs huvudsakligen via konvektion.
En del gånger hittar man specialdesignade radiatorer som är anslutna till ångsystem men detta blir allt mindre vanligt, olja användes också tidigare men det är ganska ovanligt nu för tiden.
Vattenvärmeelement
Vattenvärmeelementet finns vanligtvis i kaloriferer och vattenvärmare, det används också ibland i bassängen i öppna kyltorn för att förhindra att vattnet fryser på vintern. Dessa använder en metallspiral längs röret som har ett högt motståndsvärde. Detta motstånd genererar värme. Spolen är isolerad för att begränsa strömflödet men tillåta flödet av värmeenergi. Värmeelementet är nedsänkt i en vattentank och värmen leds ut ur elementet och in i vattnet. Vattnet som kommer i kontakt med värmeelementet värms därför upp och detta får det att stiga i tanken, kallare vatten strömmar sedan in för att ersätta detta uppvärmda vatten där denna cykel fortsätter.
Rotary wheel
Denna typ av värmeväxlare återfinns vanligen i luftbehandlingsaggregatet mellan tillufts- och frånluftsflödet med kanaler. De fungerar med hjälp av en liten elmotor som är ansluten till en rem för att långsamt rotera värmeväxlarskivan som sitter direkt i luftflödet mellan både från- och tilluftsintaget. Luften passerar rakt igenom skivan, men när den gör det kommer den i kontakt med skivans material. Värmeväxlarskivans material absorberar värmeenergi från den ena luftströmmen och när den roterar går den in i den andra luftströmmen där den avger den absorberade värmeenergin. Denna typ av värmeväxlare kommer att resultera i en liten mängd vätskeblandning mellan intags- och utloppsluftströmmen på grund av de små luckor som finns där hjulet roterar, därför kan den inte användas där starka lukter eller giftiga ångor används.
Dessa värmeväxlare kan användas under vintermånaderna för att återvinna värmen från byggnadens utloppsluftström, denna värme fångas upp av värmehjulet och överförs till friskluftsintagsströmmen som kommer att vara mycket svalare än luften inne i byggnaden.
Dessa värmeväxlare kan också användas under sommarmånaderna för att återvinna kall luft från byggnadens avgaser och använda den för att kyla ner friskluftsintaget.
Vattenpanna
Du hittar stora pannor av den här typen mestadels i medelstora till stora kommersiella byggnader i svalare klimat. I bostäder och mindre byggnader används mycket mindre versioner, vanligen väggmonterade. Båda har många varianter men den här typen är mycket vanlig.
Bränsle förbränns i förbränningskammaren (vanligtvis gas eller olja) och de heta avgaserna tvingas genom ett antal rör tills de når rökkanalen och släpps ut i atmosfären. Rören och förbränningskammaren omges av vatten. Värmen konvekterar till rörväggarna och leds sedan genom vattnet, som sedan transporteras bort genom konvektion. Beroende på systemets utformning lämnar vattnet antingen som uppvärmt vatten eller som ånga. Detta vatten tvingas fram av en pump, pumpens hastighet samt mängden bränsle som förbränns kan varieras för att ändra temperaturen och flödeshastigheten.
Värmerör
Dessa hittar du i solvärmevattenvärmare och i vissa värmeåtervinnings-AHU-slingor. Om vi tittar på solvärmetillämpningen har vi ett rör av specialglas som evakueras från all luft för att skapa ett vakuum och som sedan förseglas. Det inre skiktet i röret har en speciell beläggning. Beläggningen och vakuumet arbetar tillsammans för att förhindra att värmen kan lämna när den väl kommer in i röret, det hjälper sedan till att flytta den till värmeröret i mitten.
Värmeröret har en fena på varje sida som är ansluten till rörets beläggning för att plocka upp värmeenergin.
Värmeröret är ett förseglat, långt, ihåligt kopparrör som löper längs med glasröret och har en utskjutande blubben i toppen. Bulbben är ansluten till en förbindelse och kallt vatten leds genom förbindelsen för att passera över bulbhuvudet.
Inuti värmeröret finns en vattenblandning som hålls vid mycket lågt tryck. Detta låga tryck gör att vattnet kan avdunsta till ånga med litet värmetillskott. Ångan stiger sedan upp i bulben där den avger sin värme till det vatten som strömmar genom huvudet. När ångan avger sin värme kondenseras den och faller ner igen för att upprepa cykeln. Röret absorberar värmestrålning som sedan leds in i röret. Vattnet inuti konvekterar detta upp till bulben, värmen leds genom rörväggen och förs bort genom konvektion i vattenströmmen.
Kylbalk
Det finns två typer av kylbalkar som används, passiva och aktiva. Båda används främst i kommersiella byggnader.
Aktiva kylbafflar fungerar genom att en kall vätska, vanligtvis vatten, passerar genom en värmeväxlare med lamellrör. Luft leds sedan in i kylbalken och kommer ut genom särskilt placerade munstycken. Luften rör sig över det lamellformade röret och blåser in den kalla luften i rummet. Därför används tvångskonvektion.
Passiva kylbalkar använder också en värmeväxlare med lamellrör, men de har ingen lufttillförsel kopplad till kanalen. I stället skapar de en naturlig konvektionsström genom att kyla ner den varma luften i taknivå. Denna kylda luft sjunker sedan och ersätts av varmare luft där cykeln upprepas.
Fyrvärmare
Fyrvärmare är vanliga i bostäder med kanaliserad luftkonditionering. De är mycket vanliga i Nordamerika. Furnance-värmare använder en värmeväxlare som placeras direkt i den kanaliserade luftånga. Bränsle förbränns och den heta gasen skickas genom värmeväxlaren, värmen från denna konvektioneras in i värmeväxlarens väggar, den kallare kanaliserade luften passerar över den andra sidan och orsakar en temperaturskillnad så att värmen från gasen leds genom väggen och kommer att transporteras bort genom konvektion.
Plattvärmeväxlare
Det finns två huvudtyper av plattvärmeväxlare, packningstyp och löddade plåttyp. Dessa är båda mycket effektiva när det gäller att överföra värmeenergi, för ännu högre effektivitet och kompakt design kan du använda mikroplattvärmeväxlare för många tillämpningar. Vi har behandlat alla dessa värmeväxlare i detalj tidigare.
De grundläggande sakerna att veta om dessa två typer av värmeväxlare är att packningstypen kan demonteras, dess värme- eller kylkapacitet kan ökas eller minskas helt enkelt genom att lägga till eller ta bort värmeöverföringsplattor. Du hittar dessa som används särskilt i höga kommersiella fastigheter för att indirekt ansluta kylaggregat, pannor och kyltorn till värme- och kylkretsarna och för att ansluta byggnader till fjärrenerginätverk.
Braserad plattvärmeväxlare är förseglade enheter som inte kan demonteras, deras uppvärmnings- eller kylkapacitet är fast. De används för tillämpningar som värmepumpar, kombipannor, värmekopplingsenheter, anslutningsvärmare etc.
Båda fungerar genom att vätskor, vanligen i motsatt riktning, passerar i intilliggande kanaler. Vätskorna är vanligen vatten eller kylmedel. Värmeenergin konvekteras på plattan, den leds sedan genom plattan och vätskan på andra sidan för bort denna genom konvektion.
Värmepumpar
Värmepumpar används främst i bostäder men ibland i kommersiella fastigheter. Det finns två huvudtyper av värmepumpar luftkälla och jordkälla. Luftkälla används vanligen för uppvärmning av rumsluft medan markkälla är vanligare för uppvärmning av vatten.
Luftkälla fungerar som ett AC-system men i omvänd ordning, i stället för att ta bort värme från ett rum tillför den värme. Ett köldmedium passerar från kompressorn till inomhusenheten som innehåller en värmeväxlare med lamellrör. Köldmediet överför sin värme genom konvektion till rörväggarna, den leds sedan igenom till andra sidan. På andra sidan finns rummets kalla luft som tvingas genom värmeväxlaren med hjälp av en liten fläkt, som sedan för bort värmen via konvektion. Köldmediet strömmar sedan till expansionsventilen och sedan till utomhusenheten som också är en värmeväxlare med lamellrör eller en mikrokanalvärmeväxlare.
När luften passerar genom värmeväxlaren kommer den omgivande luften att få köldmediet att koka och hämta värme. Denna värme tar sig sedan genom kompressorn till inomhusenheten för att upprepa cykeln.
Gjordkällan fungerar lite annorlunda. En blandning av vatten och frostskyddsmedel pumpas genom rör i marken för att ta upp värme. Denna överförs sedan till en liten kylcykel via en löddad plattvärmeväxlare. Köldmediet transporterar detta till en andra löddad plattvärmeväxlare som är ansluten till en annan vattenslinga som denna gång överför sin värme till en varmvattenbehållare, vanligtvis genom ett spiralformigt, oinneslutet rör.
Skål och rör
Skål och rörvärmeväxlare återfinns vanligen i kylaggregat på förångaren och eller kondensatorn, ibland även som kylare för smörjoljan.
Dessa är möjligen den enklaste utformningen av värmeväxlare. De har en yttre behållare som kallas skal. I skalet sitter ett antal rör som kallas rör. Rören innehåller en vätska och skalet innehåller en annan vätska. De två vätskorna är alltid åtskilda av rörväggarna, de möts eller blandas aldrig. Vätskorna kommer att ha olika temperaturer, vilket gör att värmeenergi överförs mellan vätskorna och denna värmeenergi passerar genom rörväggarna. När de två vätskorna används i förångaren eller kondensorn är de två vätskorna vatten och köldmedium. Beroende på konstruktionen kan vattnet vara i skalet eller röret och köldmediet i det andra.
Kylare
En kylare använder sig antingen av en skal- och rörvärmeväxlare, en plattvärmeväxlare eller en värmeväxlare med lamellrör. Många kylaggregat använder faktiskt en kombination av alla dessa. En luftkyld kylaggregat kan till exempel använda en skal- och rörvärmeväxlare för förångaren, en värmeväxlare med finnrör eller mikrokanalsvärmeväxlare för kondensorn, en hårdlödd plattvärmeväxlare för kompressorns oljesmörjningskylning och en plattvärmeväxlare med packning för att indirekt koppla kylaggregatet till den centrala kylningskretsen.