淺析浮動(dòng)盤管型換熱器

淺析浮動(dòng)盤管型換熱器

摘要介紹了當(dāng)前國內(nèi)浮動(dòng)盤管型換熱器的基本型式：總結(jié)了浮動(dòng)盤管型換熱器的基本型式；總結(jié)了浮動(dòng)盤型換熱器優(yōu)點(diǎn)；指出了其在構(gòu)造原理、檢修、自動(dòng)脫垢及產(chǎn)熱量等方面存在的問題或應(yīng)注意的事項(xiàng)，論述了應(yīng)如何評(píng)價(jià)和選項(xiàng)用換熱器。

關(guān)鍵詞換熱器浮動(dòng)盤管型構(gòu)造檢修自動(dòng)脫垢產(chǎn)熱量選用

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，生活用熱水的換勢(shì)設(shè)備日新月異，涌現(xiàn)了不少新技術(shù)新產(chǎn)品，其中浮動(dòng)盤管型換熱器、彈性管束換熱器是近年來國內(nèi)生活熱水集中供熱系統(tǒng)中較典型的設(shè)備。

下面就浮動(dòng)盤管型換熱器的現(xiàn)狀及發(fā)展應(yīng)用中存在的一些問題，如：是否現(xiàn)有的浮動(dòng)盤管型換熱器都是先進(jìn)產(chǎn)品，浮動(dòng)盤管型換熱器是否不需要檢修，對(duì)于浮動(dòng)盤管容積式換熱器是否單罐產(chǎn)熱水量越高越好，什么叫半即熱式換熱器及其與快速換熱器有何不同，什么叫半容積式換熱器及其與窖式換熱器有什么區(qū)別，如何較全面地評(píng)價(jià)選用生活熱水用的換熱器等提出個(gè)人的點(diǎn)滴看法。

1當(dāng)前國內(nèi)浮動(dòng)盤管型換熱器的一些基本形式

盤管型式

立式螺旋型

其基本構(gòu)造是幾個(gè)不同旋轉(zhuǎn)直徑的豎向螺旋管組成一級(jí)管束。但其組合分配型式有較大差異，按管束末端的構(gòu)造又可分為下述兩種類型。

末端為自由浮動(dòng)的分配器見圖1、圖2。

圖形1、圖2中的分配器具有兩個(gè)功能：其一，使熱媒在各管束內(nèi)較均勻的分配，增大流程，以利充分換熱；其二，起陰尼作用，防止共振破壞。圖2所示帶有兩個(gè)惰性塊，還可起誘導(dǎo)振動(dòng)的受體作用，能提高傳熱效率。

盤管始、末端采用分、集水短管連接，如圖3所示。國內(nèi)大部分生產(chǎn)浮動(dòng)盤管型換熱器的廠家均采用這種做法。

水平螺旋型

它是由一根根水平螺旋管組成，按其分水與集水立管的位置也分為兩種類型：分水立管、集水立管邊置型，如圖4所示；分水立管、集水立管中置型，如圖5所示。

換熱器的型式

半即熱式

典型產(chǎn)品是熱高牌半即熱式換熱器

容積式

這是近幾年來國內(nèi)生產(chǎn)廠家發(fā)展較快，品種繁雜的產(chǎn)品。據(jù)初步了解，大概有如圖6所示的產(chǎn)品。

2、浮動(dòng)盤管型換熱器的優(yōu)點(diǎn)

浮動(dòng)盤管型換熱器與U型管換熱器相比，在換熱性能上的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面。

傳熱系數(shù)K值有所提高

山東工業(yè)大學(xué)程林教授在他發(fā)表的“彈性管束換熱器的發(fā)展與應(yīng)用”一文中提到：“與一般的管束式換熱器相比，在相同流速條件下，彈性管束汽水熱交換器的傳熱系數(shù)提高了200%，同時(shí)，彈性管束亦比浮動(dòng)盤管的傳熱系數(shù)提高40%。

筆者也做過幾次浮動(dòng)盤管型容積式換熱器的熱工性能測(cè)試。其結(jié)果及它與我在前幾年研制的RV系列容積式換熱器、HRV系列半容積式換熱器在水-水換熱工況下的性能曲線比較見圖7。

從圖7可以看出：在水-水換熱時(shí)，相同熱媒流速條件下，DFRV浮動(dòng)盤管換熱器的K平均值分別為RV-03、RV-04、HRV-01、HRV-02的、與倍。

需說明的是圖7的比較是粗淺的，因?yàn)樗还潭藷崦搅魉僖粋€(gè)因素。傳熱系數(shù)的基本公式為

1/K=1/α1+δ/λ+1/α2

式中：K----傳熱系數(shù)；

α1----熱媒向換熱管內(nèi)壁的放熱系數(shù)；

α2----換熱管外壁向被加熱水的放熱系數(shù)；

δ-----壁厚、水垢和鐵銹的總厚度；

λ----管壁、水垢、鐵銹等的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖7中的關(guān)系只反映了K與α1的關(guān)系。由于容積式換熱器被加熱水流速V2很低，又很難計(jì)算確定，并且對(duì)于生活熱水換熱器來說，換熱器的產(chǎn)熱量主要是滿足規(guī)定溫度下的設(shè)計(jì)耗熱量即可。因此，我們沒有做更深入的工作，作出相應(yīng)不同熱媒流速V1，被加熱水流速V2的對(duì)應(yīng)K值的關(guān)系曲線。也就是說，圖7中的關(guān)系線未反映出K與V2即α2之關(guān)系。另外RV、HRV系列換熱器測(cè)試所用U型管的管材分別為￠19×2的鋼管和￠×19期的銅管。而DFRV浮動(dòng)盤管型容積式換熱器是采用￠16×的紫銅管、即δ/λ值，后者低于前者。盡管δ/λ值對(duì)K值的影響不很大，但也是一個(gè)因素。

因此，從我們實(shí)測(cè)的結(jié)果看，浮動(dòng)盤管的K值是高于U型管的，但究竟高多少，尚待做進(jìn)一步的工作。

浮動(dòng)盤管型容積式換熱器可以提高容積利用率

U型管容積式換熱器受容器構(gòu)造之要求，一般熱熱盤管距容器的底部需有相當(dāng)大的距離

圖8所示傳統(tǒng)U型管容積式換熱器冷水區(qū)約占整個(gè)容器容積的20%--30%，即它的有效貯熱容積只為70%--80%。

RV、03、04系列帶導(dǎo)流裝置的容積式換熱器與無導(dǎo)流的傳統(tǒng)容積式換熱器相比雖大有改善，但仍有10%左右的冷溫水區(qū)。

浮動(dòng)盤管型換熱器的換熱盤管距容器底可以近到100mm左右。其冷水區(qū)就很小，有效貯熱容積可達(dá)95%左右，大大提高了換熱器的容積利用率。

3幾個(gè)問題的探討

一些產(chǎn)品的構(gòu)造原理上存在問題

浮動(dòng)盤管臥置

有的產(chǎn)品為了滿足檢修或滿足層高不夠的要求，將浮動(dòng)盤管臥置做成立、臥式容積式換熱器，如圖6所示的立式容積式換熱器是將浮動(dòng)盤管上置的典型產(chǎn)品示意。這種產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要用意可能在于有利于解決抽出盤管來檢修的問題。但這種構(gòu)造很明顯的問題是，盤管下部的容器空間全是冷水區(qū)，容積利用率極低，它起不到貯熱調(diào)節(jié)作用。

熱媒短路

國內(nèi)大多數(shù)數(shù)浮動(dòng)盤管型換熱器均存在這一問題。圖3所示是熱媒短路的一種表現(xiàn)，圖中內(nèi)圈螺旋管旋轉(zhuǎn)半徑小、流程短；外圈螺旋管旋轉(zhuǎn)半徑大、流程長；各圈的流程均不相同，最外圈與最內(nèi)圈長度相差近8倍。這樣運(yùn)行起來，勢(shì)必是內(nèi)圈熱媒流量大，外圈流量小，熱媒分布極不均勻。

熱媒沿分水立管、集水立管自下而上均勻頒布是熱媒短路的另一種表現(xiàn)。如圖9所示，熱媒從下端進(jìn)入容器后，很明顯從下部盤管相連的分水立管、集水立管管段短、阻力小，相應(yīng)地通過這部分盤管的流量大，上部盤管則反之。且熱媒只流經(jīng)一組或一根螺旋管，很難做到充分換熱，即沒有“過冷段”，汽水換熱時(shí)不易將高溫凝結(jié)水的溫度降下來。

浮動(dòng)盤管型換熱器的檢修問題

國內(nèi)現(xiàn)有的浮動(dòng)盤管型容積式換熱器大部分存在不能檢修或很難檢修的問題。圖6，換熱效果一直很好，換熱能力沒有發(fā)現(xiàn)明顯的下降，說明盤管外壁結(jié)垢不嚴(yán)重。究其原因是換熱器的水溫嚴(yán)格控制在55℃左右，限制了結(jié)垢的條件。相反有的工程換熱器用了不到一年，盤外壁空間全被水垢堵死，原因是換熱器出水溫度控制不好，有時(shí)高達(dá)80℃以上。就是浮動(dòng)盤管型換熱器也有因支行管理不當(dāng)，盤管外壁空間被水垢堵死的實(shí)例。

設(shè)備本身亦需考慮檢修

所有使用的設(shè)備均宜考慮檢修，換熱設(shè)備亦不例外。生活熱水用換熱器除了檢查清理水后之外還有如下檢修事項(xiàng)：如容器內(nèi)壁、換熱盤管的座蝕情況。一般容器的使用壽命為15年左右，而換熱盤管使用壽命一般只有5--10年。浮動(dòng)盤管壁厚比U型管薄，其壽命也低于U型管，因此在換熱器使用期限內(nèi)一般都有更換換熱盤管的要求。再有如換熱器內(nèi)的盤管與分水立管、集水立管的連接處因長期的浮動(dòng)可能脫焊而需更換管束，國內(nèi)初始的浮動(dòng)盤管型換熱器就是在檢修青島某飯店的一臺(tái)脫焊的進(jìn)口原裝半即熱式換熱器時(shí)仿制出來的。

因此《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》第條第一款規(guī)定“水加熱器的一側(cè)應(yīng)用凈寬不小于的通道，前端應(yīng)留有抽出加熱盤管的位置。“即水加熱設(shè)備必須具有抽出換熱盤管進(jìn)行檢修、更換的條件。另外，根據(jù)“壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程”的要求，壓力容器每隔3--6年至少進(jìn)行一次內(nèi)外部檢驗(yàn)。

產(chǎn)熱量問題

近年來國內(nèi)一些生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本中，單缺罐產(chǎn)熱量越來越大，有些選用單位也就只注重這個(gè)指標(biāo)，哪個(gè)罐單罐產(chǎn)熱大就選用哪個(gè)產(chǎn)品。對(duì)此，提出如下兩點(diǎn)個(gè)人意見：

樣本數(shù)據(jù)僅供參考

換熱器換熱量的大小在熱媒條件、換熱面積定下來后，主要取決于傳熱系數(shù)K值，其表達(dá)式就是大家熟知的：

W=KF△T

式中：W---換熱量，kw；

F-------換熱面積，m2；

△T----熱媒與被加熱水的平均溫差，℃；

K----傳熱系數(shù)。W/

式中α1、α2如前所述。α1、α2分別與熱媒流速、被加熱水流束成正比。上述表明，除像彈性管束這種有流體誘振造成擾動(dòng)可能提高K值外，其他一般浮動(dòng)盤管型換熱器K值的提高主要還是取決于管內(nèi)外介質(zhì)的流速。

大部分廠家浮動(dòng)盤管換熱器均未經(jīng)過熱工性能測(cè)試，有的也可能測(cè)了，但不一定反映實(shí)際情況，其計(jì)算所用K值不少是套用半容積式或快速換熱器的K值。由于容積式換熱器的被加熱水流速V2遠(yuǎn)小于快速換熱器的V2兩者的α2相差甚遠(yuǎn)，即一般容積式換熱器的K值肯定要比半即熱式、快速換熱器小得多。對(duì)于帶導(dǎo)流筒的容積式或半容積式換熱器，其V2比一般無導(dǎo)流筒的窖式換熱器有所提高，K值也提高，但也不可能達(dá)到快速、半即熱式換熱器的K值。

我們?cè)鴮?duì)類似于圖6所示的浮動(dòng)盤管型換熱器進(jìn)行過水—水換熱的熱工測(cè)試，所測(cè)結(jié)果見表1。

容積式、半容積式換熱器單罐產(chǎn)熱量。

容積式、半容積式換熱器與半即熱式、快速換熱器的區(qū)別在于前者除有換熱功能外還須有貯熱調(diào)節(jié)功能，即單罐的產(chǎn)熱量應(yīng)與貯熱量相匹配套。因此，《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》第條規(guī)定了各種不同換熱設(shè)備的貯熱時(shí)間。一些先進(jìn)國家換熱器廠商則是根據(jù)用戶要求的換熱量來配備相應(yīng)的貯熱容積與換熱面積，這樣可以做到合理地使用設(shè)備。

目前國內(nèi)一些容積式換熱器產(chǎn)品樣本中，單罐產(chǎn)熱量為貯熱量的10--20倍，其相應(yīng)的貯熱時(shí)間只有6--3min，基本上發(fā)球一個(gè)快速換熱器，起不到貯熱調(diào)節(jié)之作用。如果將其作為容積式、半容積式換熱器來使用就不符合《建設(shè)給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》條之要求。如果把它當(dāng)作半即熱式換熱器來使用，就必須按“半即熱式換熱器”產(chǎn)品要配備需按秒流量預(yù)測(cè)溫度調(diào)節(jié)，超溫、越壓控制的靈敏、可靠的附件。另外，熱媒需按秒流量供給。即熱煤供給流量為半容積式換熱器的2倍以上。如不這樣考慮，就可能出現(xiàn)換熱器瞬時(shí)長溫過快燙傷人，或因貯熱調(diào)節(jié)量太小供不上熱水的現(xiàn)象。

半即熱式與快速式換熱器、半容積式與容積式換熱器之區(qū)別

快速換熱器顧名思義是換熱器管束內(nèi)外介質(zhì)流速快、K值高、換熱量大，但相應(yīng)地存在阻力損失大、無貯熱調(diào)節(jié)功能等問題。由于生活用水的不均勻性，如一般恒速泵不能單獨(dú)用于生活給水加壓系統(tǒng)一樣，快速換熱器亦不宜單獨(dú)用于生活熱水系統(tǒng)。通常生活熱水系統(tǒng)使用快速換熱器時(shí)是與熱水箱或熱水罐配套的，這樣可以較好地保證系統(tǒng)較穩(wěn)定可靠的水溫水壓。水快速換熱器不配貯熱容器用于熱水系統(tǒng)時(shí)，需要配備如前所述的半即熱式換熱器的溫近代調(diào)節(jié)、安全附件。因此有無靈敏可靠的溫度調(diào)節(jié)、溫度控制及超溫超壓保護(hù)裝置就是半即熱式換熱器與快速換熱器的根本區(qū)別。

半容積式換器源于英國，這種產(chǎn)品的特點(diǎn)、性能和使用要求等見文[1]。半容積式換熱器是一種帶有適量調(diào)節(jié)容積內(nèi)藏式快速水加熱器。實(shí)際上它是由一個(gè)快速換熱器安放在一個(gè)貯熱容器內(nèi)組成的。它與容積式換熱器構(gòu)造上的區(qū)別在于：換熱部分與貯熱部分是完全分開的；而后者的這兩部分之間沒有阻擋，彼此完全相通。半容積式換熱器性能方面的特點(diǎn)是完全正確消除了容積式換熱器下部的冷水溫水區(qū)，被加熱水流速V2有較大提高，即K值高于容積式換熱器。相應(yīng)地單罐產(chǎn)熱量亦高于同容積的容積式換熱器，加上它無冷水溫水區(qū)、容積利用率基本上達(dá)到100%，因而其貯熱容積可以減少到一般容積式換熱器的1/2--1/3。即汽--水換熱時(shí)，貯熱時(shí)間T=min。T=15min是英國樣本中提出的參數(shù)。我們分析它是在滿足一次秒流量高峰過后尚留有約1/3罐的調(diào)節(jié)熱水量，這樣既大大減少了貯熱容積，又仍然滿足系統(tǒng)貯熱調(diào)節(jié)之要求，且熱媒只需按設(shè)計(jì)小時(shí)流量提供，而不要如快速或半即熱式換器那樣按設(shè)計(jì)秒流量供給，不增加熱媒負(fù)荷，不需要特殊的溫度、安全控制裝置。

目前，國內(nèi)一些廠家尚未了解半容積式換熱器的實(shí)質(zhì)，在容積式換熱器內(nèi)加一個(gè)導(dǎo)流筒子、或多加幾組換熱盤管，其產(chǎn)熱量亦不與貯熱窖相匹配，卻冠名為半窖式換熱器。而實(shí)際上，它們均不能滿足半容積式換熱器構(gòu)造和性能上的要求。

4、正確評(píng)價(jià)和選項(xiàng)用換熱器

概括以上所述內(nèi)容，對(duì)于制備生活用熱水的各種形形色色的換熱設(shè)備，應(yīng)該如何評(píng)價(jià)選用呢？

依熱媒供給條件選擇

用作生活熱水的熱媒從品種來說一般是蒸汽或高溫軟化熱水。來源一種是城市或區(qū)域熱水網(wǎng)供給，一種是自備熱源。當(dāng)以蒸池為熱媒時(shí)，只要熱源充足，選用半即熱、半容積、容積式換熱器都可以，一般不必?fù)?dān)心換熱能力不夠的問題。但有可能實(shí)際換熱量超過設(shè)備的正常換熱能力時(shí)，換熱不充分，出來的凝結(jié)水溫度過高，造成需二級(jí)換熱或耗能的現(xiàn)象。另則，由于蒸汽的熱焓值高，如選用半即熱式換熱器時(shí)，溫長速度將很快，一定要注意該產(chǎn)品是否滿足半即熱式換熱器的溫度、安全控制的要求，否則易出現(xiàn)燙人的事故。

當(dāng)以熱水為熱媒時(shí)，由于同樣換熱面積條件下，以熱水為熱媒的換熱能力只有蒸汽為熱媒時(shí)換熱能力的1/3--1/4。因此，宜選用帶一定貯熱調(diào)節(jié)容積的半容積或容積式換熱器。否則有可能出現(xiàn)供熱不足的問題。

當(dāng)以城市熱網(wǎng)為熱媒時(shí)，要考慮熱媒的供給條件。如北京城市熱網(wǎng)的末端處供回水資用壓差很小，這就限制了熱媒在換熱管束內(nèi)的流速，也就限制了換熱器的K值，即產(chǎn)熱量達(dá)不到預(yù)定值。設(shè)計(jì)選用時(shí)，應(yīng)由生產(chǎn)設(shè)備的廠方提供相應(yīng)的K值來進(jìn)行驗(yàn)算。

當(dāng)采用自備熱源時(shí)，由燃油燃?xì)鈾C(jī)組配換熱器供給生活熱水時(shí)，用什么樣的換熱器宜經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。一般來說宜選用貯熱容積為20min左右的半容積或容積換熱器，這樣換熱器大小適當(dāng)，又不要加大燃油烯氣機(jī)組的負(fù)荷，供水安全可靠。

綜合評(píng)價(jià)熱工性能

K值的來源

傳熱系數(shù)K是換熱器的主要技術(shù)參數(shù)。前已述及：K值是與介質(zhì)流態(tài)、流速、傳熱管材質(zhì)、壁厚、介質(zhì)溫度、污垢情況等多項(xiàng)因素相關(guān)的熱工參數(shù)，很難用計(jì)算方法求得，一般是通過熱工測(cè)試取得的，因此，我們?cè)谠u(píng)價(jià)或選用換熱器產(chǎn)品時(shí)，首先要考證其K值是怎么得來的。

值與△h△T之關(guān)系

換熱管內(nèi)、外兩側(cè)介質(zhì)流速V越高，則K值愈大，但V大則阻力加大，且K是隨成正比增減，而阻力△h則與V2成正比。像板式快速換熱器，其K值很高，一般為容積式換熱器的4--6倍，但其阻力則為容積式換熱器被加熱水側(cè)的15--20倍。不少用戶評(píng)價(jià)選用產(chǎn)品時(shí)，往往只注重K值，而忽略了△h這個(gè)因素，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)被加熱水△h過大，造成系統(tǒng)的冷熱水壓力不平衡，甚至發(fā)生有的最不利用水處理熱水上不去的現(xiàn)象。這也是欠一般生活熱水不推薦采用阻力大、污垢易堵塞介質(zhì)流通斷面的快速換熱器的原因。

從表2可以看出，K值大時(shí)，V1、V2大，△P1、△P2也大。反過來說RV-03、04在增大V1后，K值亦可提高。由于我們當(dāng)時(shí)熱工測(cè)試及編制樣本的出發(fā)點(diǎn)是按《建設(shè)給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，盡量使單罐產(chǎn)熱量與貯熱量匹配，因而未選用高V1下的K值。當(dāng)然如前所述，選用浮動(dòng)盤管作換熱元件的同樣V1條件下，K值有一定的提高。

評(píng)價(jià)K值的另一相關(guān)因素是熱媒溫差。因?yàn)殡S著V1提高，熱媒在管中停留時(shí)間縮短，其出水溫度將提高，即熱媒溫差△T減少。因此，總換熱量W雖有增加，但并不是與V1的提高成正比增加，因W還受△T減小的影響。式W=Q1.△即反映出了此關(guān)系。表1所示的測(cè)試數(shù)據(jù)，熱媒流速V1從/s增加到/s，上升了60%，熱媒溫差從℃下降了44%，因此，總換熱量僅增加了4%。

可檢修性

生活熱水用的換熱設(shè)備比其他一般用水設(shè)