Проживание в частном доме в осенне-зимний период невозможно без системы отопления. Только она создает благоприятный микроклимат в помещении.
Не последнее место в ее конструкции занимает теплообменник. В частном доме без него не обойтись. Благодаря прибору тепло подается даже в удаленные комнаты. Существует несколько видов этого устройства, каждый из которых имеет слабые и сильные стороны.
Что такое теплообменник для отопления частного дома?
Теплообменник — это устройство, которое передает тепло от генератора к теплоносителю. В частных домах обычно используются поверхностные приборы. Благодаря таким теплообменникам тепло передается непосредственно через стенки агрегата.
Установка в котле
Устройство дает максимальный КПД в газовых, электрических и других котлах, работающих на твердом топливе. Внутри отопительного прибора устанавливают трубы в форме змеевика. Когда в котле начинает гореть топливо, прибор нагревается. Благодаря этому теплоноситель циркулирует по всей системе, передавая тепло внутрь помещения, и приходит обратно в змеевик.
Фото 1. Стальной проточный теплообменник для котла модели Vitopend 100, производитель — «Viessmann».
Если в доме в качестве основного прибора отопления используется не котел, а печь, то применение теплообменника также актуально, если строение имеет большую площадь. Печь не отапливает коттедж из-за маленькой мощности. По этой причине внутри устройства устанавливают змеевик. Он нагревает теплоноситель до высокой температуры, и это тепло благодаря радиаторам распространяется по всему дому.
Виды в зависимости от материала
В зависимости от материала изготовления выделяют чугунные и стальные приборы. У них есть свои достоинства и недостатки.
Чугунные
Основное достоинство устройств, изготовленных из чугуна, — продолжительный эксплуатационный период.
На материале не образуется коррозия при контакте с водой, поэтому устройство служит в течение длительного времени.
Недостаток чугунного изделия — повышенные требования к газовому оборудованию. Это объясняется тем, что участок, расположенный между теплой и сильно нагретой частью устройства — это уязвимая область, где на металле часто образуются трещины.
Предотвратить возникновение дефектов помогает промывка прибора. Такая процедура удаляет отложения в уязвимых участках теплообменника.
Внутри прибора есть место, где теплая вода сталкивается с холодной, т. е. участок, где теплоноситель возвращается в теплообменник из отопительной системы. Это зона риска возникновения низкотемпературной коррозии. Чтобы снизить возможность появления ржавчины, на обратке прибора фиксируют трехходовой кран смесительного действия.
Стальные
Такие теплообменники наиболее распространены. Это объясняется простотой обработки материала и их доступной ценой. Стальные изделия особенно популярны в отечественных приборах отопления.
Основные качества материала:
Повышенная прочность. Это защищает теплообменник от механических повреждений.
Пластичность. Такое свойство предотвращает появление трещин на приборе при нагревании.
Склонность к возникновению ржавчины. Коррозия образуется внутри и снаружи устройства. Это сокращает эксплуатационный период прибора.
Теплообменник из стали повышает расход топлива. Это происходит из-за утолщения стенок устройства и увеличения габаритов змеевика при изготовлении прибора. Производители вынуждены выполнять такие манипуляции для повышения инертности.
Разновидности по конструкции
По месту расположения теплообменники бывают внутренними и внешними.
Внешние
Размещается возле дымохода. Это емкость, которая «окружает» дымоход. Нагрев теплоносителя происходит за счет тепла, которое выделяют продукты при сгорании.
Внутрь емкости помещают часть трубы, которая отводит продукты горения. За такими теплообменниками проще ухаживать. Они легко демонтируются для очищения от накипи и устранения дефектов.
Внутренние
Это емкость, расположенная внутри печи, непосредственно над топкой. Устройство легко установить, но если появится необходимость очистить прибор от накипи или устранить дефекты, возникнут проблемы.
Установка в кирпичную печь
В печь теплообменник устанавливают для повышения теплоотдачи отопительного прибора.
Если в печи не установлен теплообменник, то теплоноситель распределяется неравномерно. Из-за этого вблизи источника тепла будет высокая температура воздуха, а в отдаленных местах — низкая.
Если к печи подключить радиаторы и залить воду в такую систему, то работа прибора станет сравнима с работой твердотопливного котла. Здесь также нагревается вода, стенки и каналы дымохода. Когда печь топится, теплоноситель движется от змеевика к батареям, а после прекращения топки берет энергию у нагретых стенок.
Справка! Теплообменник сокращает полезную площадь топки. Это приводит к необходимости следить за сгоранием топлива и чаще его добавлять. Правильное устройство водяного контура и его соотношение с размерами топки — решение проблемы.
Преимущества
Теплообменник легко изготавливается и монтируется своими руками.
Тепло в помещении обеспечивает непосредственно сама печь и теплоноситель, распределенный по батареям.
Устройство функционирует от любого вида твердого горючего.
Привлекательный внешний вид.
Правила изготовления и монтажа своими руками
Несмотря на большой выбор заводских моделей в специализированных магазинах, пользователи предпочитают делать устройства своими руками.
Это неудивительно, ведь самостоятельное производство позволяет учесть размеры той печи, куда монтируется изделие, и объем топки.
Устройство делают из трубок, по которым движется жидкость. Недостаток конструкции — возможность закипания жидкости при интенсивной топке. Чтобы этого не произошло, профессионалы советуют применять трубы большого объема.
Вода также закипает из-за слабого движения. Эта проблема возникает из-за неправильного монтажа. Чтобы она не появлялась, устанавливается насосная станция. Агрегат заставляет воду интенсивно циркулировать, что предотвращает ее застой.
Устройства для печей из кирпича выполняются из металла толщиной в 2,5 мм. Основу прибора составляют две емкости: верхняя в виде цилиндра и нижняя в виде прямоугольника. Трубы соединяют обе емкости. Диаметр труб зависит от размеров топки и площади помещения. Зазор между трубами должен быть минимальным. Все составляющие соединяются между собой с помощью сварки.
разбирается часть кирпичной кладки;
в топку на заранее подготовленный фундамент фиксируется прибор;
выполняется укладка кирпичей, в которой оставляют два отверстия для труб конструкции;
когда кладка готова, устройство подсоединяют к системе отопления.
Важно! После сварки, монтажа и заливки воды проверяется прочность прибора. Для этого конструкция заполняется сжатым воздухом. Давление контролируется манометром.
Если швы не протекают, устройство готово к эксплуатации. Если же во время тестирования между швов сочится вода, то вода сливается и используется герметик.
Теплообменником может служить обычный бак, вмещающий до 5 литров жидкости. Конструкцию можно легко сделать своими руками, имея навыков сварки. Внутрь монтируются патрубки. Такое устройство быстро нагревает воду и подает ее в другой бак или радиаторы. Очень удобно для обогрева помещения ил нагрева воды.
Разновидности
Теплообменники имеют разную форму и размеры. Выбор регистра зависит от особенности печи и необходимой тепловой мощи.
Каждая из конструкций, сделанная своими руками по индивидуальным эскизам уже будет уникальной и считаться одной из лучших. Выделяют две разновидности: внешние и внутренние. Их четкие характеристики описаны в следующей таблице:
Материалы
Теплообменник для печи делают из «черной» листовой стали толщиной 3—5 мм. Можно заменить круглыми трубами диаметром 30—50 мм. Также используют медные листы либо трубы из нержавейки. Стоит учитывать, что регистры легче изготавливать и обслуживать из листового металла. 9 из 10-ти приборов сплошные и в теплообмене задействована исключительно внутренняя часть, имеющая контакт с огнем или горячими газами. У регистров из труб теплообменная площадь больше при таких же габаритах. Это обусловлено тем, что такой теплообменника имеет форму, которая позволяет нагревающему фактору охватить почти всю его поверхность.
Из труб делают котел для печи с водяной рубашкой. Лучше брать бесшовные материалы. При использовании других труб, швы нужно укрепить сваркой и при кладке «развернуть» конструкцию в местах соединений к кирпичной кладке. Можно сделать регистр из стальных листов, что поможет увеличить теплообменную площадь.
Конструкции
Змеевик как золотой стандарт
Широко используются регистры этого типа, основу которых составляют профильные трубы средним диаметром 40—50 мм. Своей формой похож на Г-образную решетку. Профильные трубы можно заменить изделиями с небольшой площадью поперечного сечения. Обработка и вывод нагретой воды происходит с любой стороны конструкции. Место выхода выбирают с учетом всех особенностей печи и положением труб в сетке отопления.
Бак для внутреннего монтажа
Это прямоугольные, чаще цилиндрические конструкции со змеевиком или трубой внутри. От объема топливника печи напрямую зависит длина печного котла. Он устанавливается на дымоход. Внутри конструкции установлена труба размером, равным диаметру самого дымохода. Патрубки находятся внизу, к ним крепятся трубы, по которым выходит горячая вода в другой резервуар или радиаторы, а холодная возвращается внутрь.
Водяная рубашка
Одной из наиболее распространенных конструкций считается теплообменник, который создан из 2 резервуаров. Надежная, но сложная модель известна под названием водяная рубашка. Емкости меньшего диаметра помещают внутрь резервуара большего размера. Однако самостоятельное выполнение теплообменника сопряжено с определенными сложностями. Поэтому перед созданием следует получить консультации у профессионалов.
Если владельцу трудно смастерить своими руками теплообменник, можно подобрать конструкцию из старых полотенцесушителей или радиаторов для автомобильных печек. Одним из вариантов следует считать использование газовой колонки, которую часто можно встретить в квартирах. В этом случае домашнему мастеру не стоит ничего переделывать, так как конструкция практически готова к применению.
Установке готовой конструкции на отопительно-варочную печь нужно уделить больше внимания. Горячие газы должны проходить над верхней полкой и выходить сразу в дымоход через переднюю часть топливника.
Принцип работы
Теплообменники, встроенные прямо в топливник, имеют высокий уровень КПД. Они расположены так, чтобы не находиться в зоне прямого контакта с огнем и избегать влияния высокой температуры. Вода нагревается быстро, остывает долго, конструкция за счет минимального воздействия огня служит долго. Такие регистры имеют на выходе патрубки для труб, ведущие к батареям или накопительной емкости для воды.
Как сделать своими руками теплообменник для печи из кирпича?
Для изготовления конструкции подойдет бак и трубки из меди в количестве 2 шт. Емкость нужного объема легко сварить из листовой стали толщиной 2,5 мм. В конструкции следует просверлить отверстия возле дна резервуара справа, и в самой верхней точке с другой стороны. Полученный теплообменник устанавливают в 3 м от печи на высоте 1 м от пола. Отводы подключаются к обогревательному устройству с разными наклонами. Внизу емкости врезают 2 крана — для слива накопительного бака и системы.
После окончательного выбора конструкции теплообменника, материала, можно приступать к монтажу. Главное, чтобы все сварочные работы были выполнены качественно. Потому что конструкция подлежит эксплуатации в тяжелых условиях, а для устранения проблем нужно демонтировать часть печи. После завершения основных работ регистр можно устанавливать в печь. Необходимо заполнить его водой и проверить на отсутствие протечек. Провести опрессовку высоким давлением как минимум в 2 раза большим, чем постоянное рабочее.
Как правильно использовать печь с теплообменником?
Для долгой службы устройства и предупреждения любых поломок нужно придерживаться нескольких правил безопасности. Во-первых, трубы теплообменника нельзя прикреплять на стены только неподвижными крепежами. Во-вторых, укреплять трубопровод нужно материалом, который способен выдерживает высокую температуру. В-третьих, заливать воду в холодную печь. При невысокой производительности печи лучше не устанавливать большой теплообменник.
Несмотря на широкое распространение современных отопительных котлов, традиционные печки не теряют актуальности. Однако их эффективность иногда оставляет желать лучшего. Установка теплообменника для печи сделает ее по-настоящему универсальной. Будет прогреваться не только окружающий воздух, но и теплоноситель, циркулирующий по системе. Покупка нового полноценного котла целесообразна не всегда. Особенно если у рачительного хозяина имеется желание, возможность и руководство к действию.
Жидкостное теплообменное устройство – это емкость, часть печной конструкции, оборудованная для подключения к трубопроводу. Бак нагревается, контактируя с продуктами сгорания топлива, и передает эту энергию воде. Вода, перемещаясь по системе, отдает тепло приборам отопления – радиаторам, от которых конвекционно прогревается воздух. Нагрев емкости может быть прямым или косвенным, а циркуляция теплоносителя – естественной либо принудительной.
Теплоноситель
Вместо воды часто применяют антифризы на основе этиленгликоля, пропиленгликоля, спирта или масла. Их основное достоинство – низкая температура замерзания, находящаяся в пределах от -30 до -70°C. Точные цифры зависят от химического состава и концентрации жидкости. Применение такой химии дает ряд преимуществ:
защита элементов системы от повреждений вследствие разморозки;
отсутствие абразивов, солей и прочих примесей, разрушающих (засоряющих) трубопровод или арматуру.
Некоторые теплообменники, например – для бани, обслуживают не только приборы отопления, но и душ или отдельный резервуар. Поэтому здесь используют воду. Во избежание разморозки устройство проектируют так, чтобы заливка воды не занимала много времени. Если же баню или сауну топят часто, а ограждающие конструкции утеплены качественно, проблема снимается.
Пропиленгликоль дорогой, спирт и масло – пожароопасные, а этиленгликоль – высокотоксичный теплоноситель.
Функции теплообменника
Функция теплообменного бака, как части печной конструкции – прием и передача тепла теплоносителю от продуктов горения. Но как элемент более широкой системы (отопления, водоснабжения) он решает несколько задач.
Равномерно и экономично распределять тепло по обогреваемым помещениям.
Обеспечить дом (дачу, коттедж, баню, квартиру и пр.) горячей водой.
Аккумулировать тепловую энергию для использования при неработающей печке.
Тепловой аккумулятор, подключенный к теплообменнику для дровяной печи, накапливает энергию благодаря теплоемкости аккумулирующего агента. Поэтому изготовить его можно, изолировав любую емкость. Бочка, облитая монтажной пеной и частично заполненная щебнем или песком – это уже теплоаккумулятор. Если снабдить его четырьмя патрубками и правильно подключить, агрегат станет функциональным элементом системы.
Остывая на 1°C, вода нагревает 1 м3 неподвижного окружающего воздуха на 4°C. С этим связано успешное применение водяных теплоаккумуляторов.
Виды теплообменников
Простое устройство может быть эффективным по-разному – в зависимости от вида. Классификацию проводят по нескольким критериям. Различные модели заводских или кустарных теплообменников, например, в баню, отличаются:
конструкцией,
местом установки,
материалом.
Эти факторы влияют друг на друга и на особенности теплообменного агрегата в целом: его стоимость, КПД, производительность, объем системы, сложность установки и пр.
Конструкция
Конструктивные отличия во многом зависят от назначения изделия. Например, нагрев воды для мытья предполагает существенный объем и интенсивную теплопередачу. А использование только для отопления требует постепенной передачи тепла теплоносителю.
Змеевик – гнутая под разными углами труба. Быстро прогревается, но часто не обладает достаточным объемом. Подходит для монтажа в дровяную топку, за топку, в каменку, на дымоход (если змеевик – спиралевидный).
Регистр – аналог трубного радиатора, пожалуй, самый популярный, универсальный, энергоэффективный. Как правило, это несколько труб большого диаметра, соединенных тонкими трубками. Выбор конкретной формы и места установки ограничен фантазией автора, а также общей схемой.
Дипломат – одна или несколько соединенных между собой емкостей с патрубками. Это распространенная модель, простая в сборке и монтаже. Печь для бани с теплообменником такого типа обеспечит тепло, жар, горячую воду. Недостатки – существенный объем снижает скорость прогрева, ограничивает выбор места для монтажа. Примитивная форма не способствует полноценной теплопередаче, мешая прогреву частей самой печки. Поэтому хорошо подходит только для монтажа внутрь каменки (если речь о бане), за нее или за топку.
Водяная рубашка – кожух, устанавливаемый на прогреваемые изнутри части теплогенератора. Зачастую это цилиндр с патрубками, надетый на дымоход. Сложен для кустарной сборки, подвержен протечкам, зато не требует разборки печки для монтажа и достаточно эффективен.
Выбор модели обычно связан не столько с КПД и ценой, сколько со сложностью установки. Например, некоторые модификации водяных «рубашек», «змеевиков» и «дипломатов» монтируются без разборки печи. Максимум – модернизация части трубы или замена чугунной плиты (для готовки) на «дипломат».
Теплообменные регистры, как правило, предпочтительнее других устройств. Однако устанавливаются они только при строительстве новой печки или серьезной переделке старой.
Материал
Проектируя печь либо камин с каким-либо теплообменником, инженер (или печник) учитывает параметры материалов. Необходимые свойства – огнеупорность, эластичность, стойкость к коррозии, теплоемкость, теплопроводность. Обладают этими характеристиками только металлы.
Сталь прекрасно подходит по всем параметрам, кроме стойкости к коррозии. Однако если теплоноситель залит всегда, ржаветь она не будет.
Нержавеющая сталь не имеет недостатков, кроме высокой цены и сложности сварки. Оцинкованная сталь почти не применяется из-за токсичных выделений, связанных с высокими температурами.
Чугун, недостатки которого – сложность сварки и высокая вероятность образования трещин (из-за резких перепадов температуры при неравномерном нагреве).
Медь, которая всем хороша, кроме высокой цены и соединением частей пайкой. Припой «не держит» сильный нагрев, если слита вода, поэтому применение меди ограничено.
Выбор, как правило, связан с наличием или доступностью материала. Нередко встречаются банные печи с чугунным теплообменником, представляющим собой доработанную батарею. Доработка заключается в проварке стыков секций и заглушек в лишних отверстиях. Тем самым получают теплообменный регистр, обладающий всеми нужными свойствами. Его недостаток – громоздкость, ограничивающая выбор места.
Изготовление своими руками
Принятие решения о самостоятельном изготовлении, как правило, говорит о наличии кое-какого инструмента и навыков работы с ним. В идеале необходима полноценная мастерская с тисками, сваркой (двух видов), верстаком, наковальней и т. д. Если оснащение оставляет желать лучшего, возможен вариант сборки простейшей модификации – медного спиралевидного змеевика.
Плюсы этого варианта:
Медь относительно легко гнется, паяется.
Змеевик не содержит соединений, подвергающихся сильному нагреву.
Спиральная форма проста, универсальна, а для ее придания не нужно сложное оборудование.
Установка такого теплообменного устройства не потребует серьезной модернизации печной конструкции.
Банная печь с таким теплообменником справится со всем, чего от нее можно ожидать: обеспечит работу 2 – 3 радиаторов отопления, нагреет воду в небольшом баке. За микроклимат в парилке, все же, отвечает каменка.
Расходные материалы
Из специальных инструментов для работы с медью необходима только газовая горелка. Профессионалу потребуется труборез, фаскосниматель, металлический ершик нужного размера. Однако все это заменяется болгаркой, напильником (рашпилем), мягкой абразивной губкой. Расходных материалов также понадобится минимум:
отожженная медная труба в бухте d32, длиной 3.5 – 4.5 м (в зависимости от d дымохода);
Необходим «трубогиб» – ровное круглое бревно. С его помощью теплообменник для банной печи получит форму спиралевидного змеевика. Длина бревна – не меньше 1 м, а диаметр равен габаритам дымохода на выходе из печки. Как правило, параметр зависит от размеров топки и не бывает менее 10 см.
Бревно следует жестко закрепить, зафиксировав его мощными саморезами/дюбелями между двумя деревьями или стенами.
Алгоритм сборки
Самая сложная часть сборки – придание спиралевидной формы. Для этого трубу придется гнуть, используя жестко установленное бревно. Неотожженную медь согнуть не получится, поэтому покупать надо именно ту, что в бухтах. Самый простой способ установки теплообменника «змеевик» в кирпичную печь (для отопления) – монтаж на дымоход. Алгоритм действий:
Надежно заглушите один конец трубы, например, запаянной заводской заглушкой.
Заполните трубу песком, проливая водой, простукивая молотком, уплотняя «шомполом». Им может стать металлопластиковая труба или заглушенный резиновый шланг.
Когда труба будет заполнена, максимально уплотните наполнитель, затем заглушите второй конец. Старайтесь, чтобы песок при этом не «разуплотнился».
Прикрутите к бревну П-образный или круглый хомут, который будет плотно держать трубу. Основание «П» – перпендикулярно трубогибу ближе к концу, а расположение по окружности роли не играет.
Вставьте конец бухты в хомут, начните, не торопясь, накручивать трубу на бревно.
Если где-то появился залом, значит, в этом месте песок лежит недостаточно плотно. Желательно начать все сначала, но, теоретически, можно попытаться отстучать залом молотком.
Если d дымохода равен 150, а длина бухты – 4.5, должно получиться 8 – 9 витков спирали (высотой не более 35 – 40 см), а также два «хвоста» по 30 – 40 см.
Припаяйте к концам спирали переходные водорозетки.
Снимите крышку, закрывающую каменку, или демонтируйте шиберную заслонку (выньте часть дымохода).
Оденьте «змеевик» на трубу как можно ближе к печке.
Соберите обратно дымоход, учитывая необходимые герметики, подмотки (если они были).
Теперь можно установить и подключить остальные элементы отопительной системы, в том числе открытый расширительный бак самоварного типа, трубопровод, краны, радиаторы, воздушные клапаны. Для улучшения естественной циркуляции диаметр трубопровода не должен быть намного меньше размеров змеевика. В идеале – он также будет медным, того же диаметра.
Вероятная трудность – снижение тяги из-за непредусмотренного теплосъема с дымохода. Решение – увеличение длины дымовой трубы.
Варианты установки теплообменной конструкции
Установка теплообменного устройства любого вида предполагает проведение немалого объема работ, особенно если его эффективность имеет серьезное значение. Например, простейшая спираль на дымоходе может слабо прогреваться, а циркуляции без насоса не быть совсем. Тогда приходится принимать меры, вплоть до отказа от такой конструкции. На практике один теплообменник для печи, установленный в разных местах, выдает разный КПД. Условно можно составить такой ТОП, начиная с самой эффективной разновидности:
чугунный или стальной П-образный регистр в топке;
водяная рубашка вокруг топки или у какой-либо из ее поверхностей;
П-образный дипломат в топке;
дипломат непосредственно над топкой или за ней, с максимальным контактом;
водяная рубашка вокруг каменки;
регистр, дипломат или змеевик в каменке;
дипломат или змеевик за каменкой;
водяная рубашка на дымоходе.
Змеевик на дымоходе условно является наименее эффективным вариантом. Однако простота устройства нередко нивелирует недостатки. К тому же, КПД повышается различными способами. Среди них – обкладка змеевика термоизолированным кожухом с заполнением пустот песком либо установка конструкции прямо в каменку.
Все названия условны. Например, нередка такая заводская конструкция, когда емкость кубической формы встроена над каменкой. Ее можно считать рубашкой или дипломатом.
Правильное подключение
Дровяная печь или камин с любым теплообменником – это лишь часть системы. Для ее энергоэффективной работы ключевым фактором остается циркуляция теплоносителя. Даже когда применение насоса явно необходимо (например, в большом двух- или трехэтажном доме), естественная циркуляция – важная вещь. Благодаря ей трубы не полопаются из-за разморозки слишком быстро, и вода так просто не закипит, если отключится электричество. Для улучшения циркуляции желательно придерживаться следующих правил:
чем выше разбег патрубков теплообменного устройства по высоте, тем лучше;
расширительный бак ставят как можно выше, рядом с печкой;
к баку идет труба с верхнего патрубка;
труба от расширительной емкости идет к нижнему входу радиатору;
все горизонтальные участки делают под наклоном (не меньше 3 мм на 1 м);
выход с радиатора только с противоположной стороны или по диагонали.
Еще один важный момент – проходимость трубопровода. Чем она выше, тем лучше. Поэтому не стоит сужать диаметр, встраивать лишние колена, арматуру, а также применять ржавые изнутри или пластиковые трубы.
Установку теплообменника производят на стадии сборки печи. Если речь идет о старой конструкции, не нужно лениться разобрать ее. В этом случае получится установить максимально эффективное устройство туда, куда требуется. Попутно будет проведен подробный осмотр кладки, а также других деталей. Дефекты и изъяны устранятся.
Функция теплообменного бака, как части печной конструкции – прием и передача тепла теплоносителю от продуктов горения. Но как элемент более широкой системы (отопления, водоснабжения) он решает несколько задач.
Дровяная печь или камин с любым теплообменником – это лишь часть системы. Для ее энергоэффективной работы ключевым фактором остается циркуляция теплоносителя. Даже когда применение насоса явно необходимо (например, в большом двух- или трехэтажном доме), естественная циркуляция – важная вещь. Благодаря ей трубы не полопаются из-за разморозки слишком быстро, и вода так просто не закипит, если отключится электричество. Для улучшения циркуляции желательно придерживаться следующих правил: