Устройство и принцип работы
Что такое теплообменник? Теплообменник – это некое устройство, которое передает тепло тем или иным способом от источника или среды к другой среде. В нашем случае тепло передается воде посредством радиационного нагрева поверхности труб или нагрева поверхности трубы уходящими дымовыми газами. Рассмотрим каждый из вариантов теплообменников подробнее.
Наиболее распространенный теплообменник – это змеевик, по которому циркулирует вода. Такое устройство можно установить и в топке, и в дымоходе. Разница будет только в материале, из которого выполняется труба. Змеевик хорош большой площадью поверхности нагрева. Это означает, что при прочих равных условиях теплообменник в виде змеевика быстрее прогреет воду. Но при этом в змеевиках выше вероятность закипания воды, что грозит возможностью пережогу труб. Помимо порчи печи и всей системы с теплообменником, кипящая вода в трубах способна нанести вред здоровью человека.
Поэтому при установке змеевиков требуется применение ряда мер, направленных на борьбу с закипанием жидкости в трубах. По той же причине в покупных конструкциях практически никогда не используется такой вид теплообменников. Производитель больше заинтересован в длительном сроке службы при любых условиях эксплуатации, нежели в личном удобстве пользователя, которое выражается в скорости нагрева воды в баке душевой или в радиаторе отопления. Всего несколько случаев закипания жидкости в трубах способно испортить репутацию производителя и вытеснить его с рынка, поскольку большая часть «игроков» рынка теплового оборудования находится на виду у инженеров-теплотехников.
В покупных печах устанавливают плоские теплообменники или теплообменники типа «труба в трубе». Принцип плоского теплообменника достаточно прост: это пластина со свободным пространством внутри, куда поступает вода. Тепло поступает за счет радиационного нагрева от пламени. В принципе, эту конструкцию можно использовать и для установки в дымоходе, а значит и для нагрева воды теплотой уходящих газов. Но для того, чтобы плоский теплообменник в дымоходе имел возможность нагревать воду до приемлемых значений, придется увеличивать теплообменник, а значит и сам дымоход до невообразимых размеров. Поэтому применение плоских теплообменников оправдано только в пределах топки.
А вот теплообменник типа «труба в трубе» предназначении именно для расположения в дымоходе. Принцип работы такого теплообменника заключается в том, что труба дымохода, окружается трубой большего диаметра, куда поступает вода. Вода через стенку нагревается от дымовых газов. Само собой, такой теплообменник выполняется на коротком участке трубы, а не вдоль всего трубопровода. Теоретически теплообменник «труба в трубе» более эффективен, нежели плоский. Но при этом он не удобен, так как увеличивает габариты дымохода, поэтому чаще применяют плоский теплообменник, который просто встроить в топку печи.
Отдельно стоит отметить, что эффективность работы теплообменника зависит в первую очередь от площади греющей поверхности. Много изогнутых труб имеют большую общую площадь, чем плоская плита или труба тех же габаритов. Это нужно учитывать при самостоятельном изготовлении теплообменника.
Принципы монтажа, подключения и безопасной эксплуатации
Варианты монтажа зависят только от выбора расположения обменника. Сложнее всего придется в том случае, если решено ставить его внутрь готовой печи, где он не планировался изначально. Под это придется разбирать корпус, делать отверстия
Гораздо проще воспользоваться навесной конструкцией или надеть змеевик, либо же «самовар» на дымоходную трубу.
Что касается труб, которые соединяют теплообменник с баком, то для самотечной конструкции важно соблюдать уклоны, а также помнить о том, что крепление труб не должно быть жестким – позвольте им свободно «ходить» при тепловом расширении.
Материал для труб – лучше всего медь, а соединения – латунь
Приобретая уплотнители, обращайте внимание на их способность выдерживать большие температуры.
Безопасность эксплуатации зависит от вашей памятливости. Главное не забывать о двух вещах:
- покидая баню, нужно сливать всю воду из системы;
- протопку не стоит начинать, не убедившись в том, что накопительный бак полон воды.
Если кирпичная печь с внутренним водяным контуром затоплена, а воду вовремя залить забыли, лучше не делать это, когда печь нагрета.
Важно также не допускать закипания жидкости в системе
Как правильно выбрать?
Выбор того или иного нагревателя зависит от начальных условий и поставленных перед ним задач. Внутри печи он гораздо быстрее нагреет жидкость, но она может закипать. Образуется накипь, которая быстро выводит прибор из строя. Правильный расчет необходимой мощности позволяет избежать этой проблемы.
Расположенный возле дымохода печи, внешний нагреватель занимает больше места, жидкость греет значительно медленнее. Зато, к нему всегда есть доступ. В случае поломки, его легко починить или заменить. Теплоноситель закипает редко, просто не набирает столь высокую температуру, поэтому накипь не образуется. Выбор остается за хозяином.
Мнение эксперта
Павел Круглов
Печник с 25-летним стажем
Можно приобрести заводскую модель, которая будет стоить от 10 000 рублей, в зависимости от мощности. Стоимость качественной кирпичной печи с теплообменником начинается от 20 000 рублей, но, практика показывает, что она будет не так эффективна.
Ничего хитрого в устройстве прибора нет, насколько оправдана такая покупка — большой вопрос. Все можно установить своими руками.
Виды теплообменников для банной печи
Конструктивно теплообменник может представлять собой змеевик либо бак с максимальным объемом 5 литров и двумя патрубками для подключения водяного бака/радиатора.
По способу крепления теплообменники делятся на два типа:
внутренние. Такие изделия закрепляются на одной из боковых стенок печи либо монтируются на ее дне. Также возможет вариант установки водяной рубашки, которая буквально опоясывает топливную камеру с внутренней ее стороны либо размещена в пространстве между кожухом печи и стенками топливника;
Теплообменник для печи
внешние. Теплообменники этого типа фиксируются на дымовой трубе или прикрепляются к стенке печи.
Внешний теплообменник на трубе
Цены на разные виды теплообменников
теплообменник
Лучшими показателями теплосбережения отличаются теплообменники внутреннего типа. Вода в них будет нагреваться, пока полностью не остынет печь до последнего ее кирпича или камня.
Самый быстрый нагрев воды обеспечивают внутренние теплообменники и наружные, устанавливаемые на печную трубу. При этом первые изделия нередко предполагают необходимость внесения конструктивных изменений/дополнений в банную печь, а вторые нельзя назвать украшением помещения парной (широкий бак не лучшим образом вписывается в интерьер).
Пример внутреннего теплообменника из стали в кирпичной печи
Если сравнивать изделия по легкости монтажа, то пальму первенства занимают теплообменники, которые навешиваются на внешние стенки печи. Такие изделия отличаются продолжительным сроком службы, не портят внешнего вида печи, однако вода в них нагревается дольше, а остывает значительно быстрее.
Какой теплообменник выбрать для печи в баню
При выборе конструкции теплообменника, учитывают преимущества и недостатки каждого вида. На подбор подходящего устройства влияет целевое предназначение и необходимая производительность:
- Печь для бани со встроенным теплообменником – используется для одновременного обогрева и горячего водоснабжения. Печи длительного горения, работающие в режиме газогенерации, не могут обеспечить необходимую теплоотдачу при установке навесного бака. Причина этого в том, что дымовые газы имеют меньшую температуру нагрева. Если планируется установить печку длительного горения, альтернативы встроенному змеевику или пластинчатой конструкции, нет. Эффективное отопление в бане возможно только от печи с встроенным теплообменником.
Печь для бани с водонагревателем самоварного типа – отличает высокая производительность горячей воды, но для отопления, бак, надеваемый на дымоход, не сильно подходит по техническим характеристикам.
Выбирая, что установить, встроенный теплообменник или самоварного типа, учитывают особенности их эксплуатации. Для одновременного отопления и обеспечения горячей воды, лучше подойдет змеевик, пластинчатый теплосъемник или водяная рубашка. Исключительно для ГВС, лучше установить водонагревательную емкость самоварного типа.
Как установить теплообменник в печь
Встроенный теплообменник – монтируют на заводе, барабанного типа – устанавливается на трубу дымохода. Баки изготавливают разного внутреннего диаметра, поэтому, монтаж не требует много усилий и проводится одновременно с выводом дымоходной трубы. Заводские емкости поставляются с вместимостью от 20 до 80 л.
Сложность заключается в подключении батарей от печи. На корпусе расположены специальные отводы для подачи и обратки теплоносителя, к которым подсоединяются трубы системы отопления.
Работы выполняют с соблюдением следующих рекомендаций:
- Трубы для подключения к теплообменнику. Температура теплоносителя часто превышает 85-100°С. Пластик, при таком нагреве, может деформироваться, поэтому его не используют. Для теплообменника надо использовать трубы из стали, подойдет медь.
- Подключение батарей – при естественной циркуляции длина трубы от корпуса печи, не должна превышать 10 м.
- Установка циркуляционного оборудования – системы отопления с принудительной циркуляцией устанавливаются для больших отапливаемых помещений, зачастую используются в промышленных банях.
- Диаметр трубы теплообменника – производители четко прописывают в технической документации размер и шаг резьбы, облегчающий подбор трубы для монтажа. Диаметр трубопровода в системе отопления, при необходимости можно увеличить, но не уменьшить.
Область применения
Даром пропадающее тепло можно использовать в двух целях:
- для нагрева воды, которая будет использоваться при мытье;
- для обогрева помещений.
Разумеется, подобные цели вполне можно совмещать, если печка достаточно мощная. Ведь мы, фактически, будем отбирать часть тепла, которая в противном случае шла бы на обогрев парилки (или атмосферы)).
Схема подогрева воды в выносном баке с теплообменником самоварного типа (видео с разъяснением см. ниже)
Печь для бани с теплообменником для воды
Это первый случай. Речь идет исключительно о воде (никаких антифризов), расход которой зависит от количества людей, которые могут одновременно мыться в бане и других факторов. В любом случае без вместительного бака не обойтись. И тут у вас снова есть варианты того, где его разместить:
- одни помещают бак прямо на печь, которая должна иметь для этого соответствующую конструкцию. Вода подается в моечную из парилки;
- другие используют теплообменник, а сам бак выставляют в соседнее помещение, откуда он сообщается двумя трубами с теплообменником.
Обе конструкции печей с баком имеют право на существование, а выбор остается за вами.
Печь для бани с теплообменником для отопления
Если вместо бака соединить теплообменник с радиатором, то получится система автономного отопления.
И тут у вас снова есть два варианта):
- либо создать конструкцию, которая основана на таких явлениях, как конвекция и гравитация;
- либо заставить теплоноситель принудительно двигаться в системе – для этого понадобится насос, а значит, и электричество (!электрическим печкам посвящена отдельный раздел).
Если банька небольшая, то нет нужды заморачиваться даже с простейшей системой, потому что обычно печи хватает на обогрев смежных помещений
Но тут важно то, какие у вас зимы. Бывает, что и маленькая баня нуждается в дополнительном отоплении
Выше уже упоминалось о том, что возможно совмещение нагрева воды для мытья и отопления. На самом деле можно сделать две параллельные системы, причем для отопления пустить не воду, а антифриз. C этой целью один теплообменник нужно будет поместить внутрь печи, а второй – на дымоход. С точки зрения повышения КПД печи – вариант просто отличный.
На заметку! Создавая отопительную систему, не забывайте о расширительном бачке, который примет на себя избыток теплоносителя.
Собственноручное изготовление
Чтобы создать теплообменник своими руками, нужно запастись металлическими листами толщиной от 2,5 мм. Для обустройства банной печи таким аппаратом потребуется следующий набор:
- встраиваемый в агрегат бак;
- резервуар для воды;
- трубы для соединения емкостей.
Отсюда следует, что теплообменник для отопительного устройства состоит из двух частей: верхнего цилиндра и нижнего прямоугольника.
Предварительно раскроив из металла заготовки, выполняется их сварка. При этом нужно постараться соединить детали с наименьшим зазором. После изготовления резервуаров проводится сборка системы. Выбор диаметра труб зависит от площади помещения, которое будет отапливаться. Не менее важна и длина элементов соединения. Чем короче трубы, тем более высоким КПД будет отличаться теплообменник для банной печи.
Окончательная сборка предполагает выполнение следующих действий:
- К нижней части аппарата приваривается труба.
- Через ее отверстие вода заливается во встраиваемый в печь бак.
- Металлопрокатное изделие приваривается к верхней части теплообменника.
Аппарат готов. Насколько качественно выполнены все сварочные работы, можно проверить с помощью высокого давления. Для этого нужен источник сжатого воздуха, подключенный к сооруженной системе. Если протечек не возникает, значит, все сделано правильно. В противном случае придется избавляться от допущенных при изготовлении дефектов.
Теплообменник – это устройство, которое можно подключать в работу, если оно осуществляет только нагрев воды в бане. В случае полноценного введения агрегата в отопительную систему требуется позаботиться о качественном утеплении помещения.
Общие принципы установки системы
Есть несколько принципов, которые помогут вам сделать качественный и долговечный теплообменник:
Первое правило монтажа любого трубопровода это соблюдение углов наклона. Даже, если в системе есть циркуляционный насос, проще сделать правильные углы наклона труб, чем потом мучатся со спуском системы и заменой насоса, который слишком быстро истратил свой рабочий ресурс. Трубы, подающие воду в бак с теплой водой прокладываются под углом в 30 градусов в сторону теплообменника. Трубы, отводящие воду из бака обратно в теплообменник выполнятся с уклоном примерно 5-10 градусов в сторону теплообменника.
Нужно позаботится о спуске системы. В нижней точке предусматривается спускной кран, который необходим для спуска системы на зимний период, если пользоваться баней владелец не планирует.
Проверяйте места соединений пластиковых труб с теплообменником. Пластиковые трубы при соприкосновении с горячими поверхностями может и не оплавятся, но деформируются точно. Поэтому подвод и отвод воды к теплообменнику лучше выполнять из металлических труб с переходниками на пластик.
При необходимости, циркуляционный насос устанавливается прямо на трубу
Важно сделать так, чтобы была возможность замены и промывки насоса без демонтажа всей системы. Поэтому делается в двух местах устанавливаются тройники, через которые подключается насос
При необходимости линия с насосом перекрывается, насос снимается и выполняются все требуемые работы.
После монтажа всей системы, не забудьте проверить ее холодной водой. Это позволит выявить течи и исправить огрехи до начала работы.
Схема установки и подключения встроенного теплообменника
Закрепление выносного бака и монтаж теплообменника
Выносной бак для бани
Для банной печи достаточно бака объемом 80-120 литров. Эту емкость необходимо навесить на стенку бани так, чтобы уровень бака был выше печи.
Схема подключения бака и установки печи с теплообменником
Схема подключения
Шаг 1. Выбираем место для крепления бака. Это может быть как парная, так и душевая за смежной стенкой. Высоту крепления определяем, пользуясь рекомендациями по уклону подводящих/отводящих труб.
Схема расположения печи и бака
Шаг 2. Большинство опытных мастеров не рекомендуют навешивать выносной бак непосредственно на деревянную стенку бани. Поэтому делаем замер ширины бака, распиливаем рейку на несколько участков соответствующего размера, крепим отрезки на стенку бани гвоздями.
Шаг 3. У бака должны быть предусмотрены технологические отверстия для крепления его к стене. Закрепляем бак саморезами или дюбелями, проверяя горизонтальность и вертикальность. Дополнительно укрепить конструкцию можно кронштейнами, зафиксировав их под дном бака.
Кронштейны под дном бака
Шаг 4. У бака для воды выносного есть три или четыре патрубка. Два из них предназначены для подключения к теплообменнику, третий – для заполнения бака водой (его может и не быть), через четвертый горячая вода подается потребителям. К патрубку, через который бак будет заполняться водой, подключается обратный клапан. Если система открытая (вода добавляется вручную через открытую крышку бака), то обратный предохранительный клапан не нужен.
К патрубку, из которого будет вытекать подогретая вода, подключается кран с душевым шлангом или без такового.
Шаг 5. Осталось два патрубка, к которым следует подсоединить гофрированные стальные трубы или смонтировать медную сеть. Соединения производятся фитингами. Допустимо использовать металлопластиковые трубы, соединив их переходниками с патрубками бака и теплообменника. Все резьбовые соединения уплотняются нитью-герметиком.
Гибкая подводка воды
Цены на металлопластиковые трубы
металлопластиковые трубы
Шаг 6. На трубопровод, который ведет от бака к теплообменнику, подключается кран для слива воды из системы. Операцию слива жидкости нужно будет выполнять каждый раз после завершения банных процедур, в противном случае в период холодов вода может замерзнуть в трубах.
Схема монтажа печного теплообменника
Шаг 7. На стенку печи навешивается теплообменник (либо его штуцеры выводятся через технологические отверстия печи, а змеевик располагается внутри так, чтобы в дальнейшем не происходило контакта металла корпуса с открытым пламенем). Крепежи затягиваются. К теплообменнику подводятся и подключаются фитингами гибкие гофрированные шланги или трубы. При необходимости, в стене высверливаются отверстия диаметром чуть больше диаметра труб.
Высверливание отверстий
Протягивание подводки через отверстия в стене
Подключение подводки к теплообменнику
Шаг 8. Система обязательно тестируется на герметичность посредством подачи воды под давлением.
Банная печь с теплообменником подключенная
Пример подключения выносного бака к теплообменнику банной печи
Пример подключения выносного бака к теплообменнику банной печи
Шаг 9. Если у вас металлическая печь, то можно запускать ее в работу. Кирпичную же печь придется достраивать, производить отделку, тестирование и другие подготовительные работы. Впрочем, металлические печи также могут быть обложены кирпичом (их ставят на ребро) с двух или трех сторон. Такой экран дополнительно аккумулирует тепло, повышая КПД печи.
Как сделать теплообменник самостоятельно?
Покупать дорогие изделия из нержавейки для эксплуатации в бане нецелесообразно. Теплообменник для печи в бане можно легко изготовить самостоятельно. Как сделать теплообменник банной печи своими руками? Пошаговая инструкция будет ниже.
Материалы и инструменты
Какие материалы имеют для теплообменника печи в бане первостепенное значение? Зависит от того, сколько воды нужно нагреть. Вот примерный список того, что понадобится:
- металлический лист, толщина 2-3 мм — S=2*(0,40*0,80+0,40*0,20)+0,80*0,20 = 2*(0,32+0,08)+0,16 = 0,96 м2
- кран Ø32 мм — 2 шт.
- обратный клапан Ø32 мм — 1 шт.
- фитинги Ø32 мм— 6 компл.
- патрубки Ø32 мм — 6 шт.
- вентиль Ø32 мм (для слива) — 1 шт.
- труба металлическая, гофрированная Ø32 мм — 3 м.
- труба Ø32 мм (холодный водопровод) — по необходимости.
- уплотнительный шнур для герметизации соединений — 1 упак.
- электроды — 1 пачка.
Какой инструмент используется? Вот список:
- сварочный инвертор;
- «болгарка»
- прочие инструменты.
Расчет размеров
Мощность нагревателя должна соответствовать мощности самой печи. Рекомендуют сделать теплообменник, руководствуясь следующим:
- Теплообменник не должен потреблять больше 10% от мощности самой печи. В таком случае, мощности печи хватит и на обогрев помещения. Топливо будет расходоваться максимально эффективно. Время нагрева не увеличится.
- Суммарная длина труб не должна превышать 3 метра. Нужно сделать необходимый уклон, который составляет 2500 на прямой подаче, а на обратной — больше 300 в сторону печки. Так теплоноситель будет эффективно подаваться самотеком. В противном случае, не обойтись без насоса.
- Воды должно быть достаточно. Она должна нагреваться не более двух часов, но не закипать. Если сделать бак слишком малого объема, теплоноситель очень быстро закипит. Если котел находится непосредственно в парилке, мыться там будет очень тяжело. Тяжелый пар заполнит помещение и нормально дышать станет невозможно. При слишком большом объеме бака из металла, теплоноситель может и вовсе не нагреться.
- Не забудьте, что когда печь прогорит, вода все же какое-то время должна оставаться горячей. Поэтому, нужно заложить необходимый запас мощности.
Учитывая все вышесказанное, попробуем подобрать оптимальный теплообменник из металла. Принимаем, что для прогрева воздуха в бане нужно 5 кВт. Тогда мощность теплообменника из металла составит 10 кВт, а его площадь — 1 м2. На возможные теплопотери отнесем 3 кВт. Тогда монтаж 1 м2 теплообменника даст нам 7кВт энергии. Время нагрева воды — 2 часа. Тогда требуемую площадь теплообменник определим по формуле: S = 1/7*W, где
W = 0,00117*V*(tk-tн) /T= 0,00117*65*(70-10) /2= 2,3кВт, отсюда S = 1/7*W=1/7*2,3 = 0,33 м2, где S — требуемая площадь теплообменника, м2;
W — требуемая мощность теплообменника, кВт (важно определить ее правильно);
V — объем воды, которую надо нагреть, принимаем 65 л (достаточно для 4-х человек);
tk — требуемая температура воды, принимаем 700С (оптимальная температура горячей воды);
tн — изначальная температура воды, принимаем 100С. Требуемая мощность печи — 5+2,3 = 7 кВт
0,3 кВт можно не учитывать, т. к. 10% от изначальной мощности печи — допустимая потеря (0,3кВт
Инструкция по изготовлению
Правильно изготовим 2 бака для воды: один лучше делать в форме цилиндра (для теплообменника), второй — прямоугольный (выносной). Размеры рассчитываем индивидуально, исходить лучше из расчета выше и собственных потребностей.
Варианты конструкций
Изготавливаем змеевик, устанавливаем в бак.
Пример конструкции змеевика 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
- Наполняем водой и испытываем в течении 6 часов. Все швы должны быть герметичны, отпотин и утечек быть не должно. Содержание воды в баке при отрицательной температуре запрещено.
- Привариваем 2 патрубка для прямой и обратной (нижней) подачи, чтобы организовать циркуляцию.
Теплообменники в печи
Теплообменники в печи
С помощью таких теплообменников вода будет нагреваться значительно быстрее. Теплообменники в печи могут изготавливаться из трубок в виде различных геометрических конструкций или быть обыкновенными плоскими. Эффективность плоских теплообменников ниже. Но зато они значительно долговечнее и проще в изготовлении.
Плоский теплообменник
Теплообменники нужно устанавливать одновременно с кладкой печи. С учетом параметров топки подбираются размеры теплообменников. Выводы труб могут быть как с одной стороны печи, так и с двух. Допускается вариант входа холодной воды снизу, а выхода сверху плоскости печи. Одним словом, вариантов как по материалу изготовления теплообменника, так и по типу, геометрии, линейным размерам и конструктивным особенностям великое множество. Однозначного универсального совета дать невозможно, вы должны принять самостоятельное решение с учетом особенностей банной печи и режимов пользования душевой и парилкой.
Теплообменник устанавливается одновременно с кладкой печи
Для изготовления теплообменника выбирайте прочные качественные материалы, сварочные швы нужно делать в соответствии с правилами и характеристиками материалов. Имейте в виду, что исправить поврежденный теплообменник в печи во многих случаях без ее разборки невозможно. А что такое разобрать и заново собрать печь объяснять не стоит.
Самый легкий вариант – приобрести заводскую металлическую печь для бани с встроенным теплообменником. Но такие печи имеют один недостаток – низкая эффективность теплообменника.
Печь с теплообменником
