拼裝式板式換熱器在輻射供冷暖中的應(yīng)用

拼裝式板式換熱器在輻射供冷暖中的應(yīng)用

宣永梅，安建良，黃翔

(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710048)

摘要:探討拼裝式板式換熱器在輻射供冷暖工程中的應(yīng)用及換熱工況匹配等問(wèn)題，根據(jù)不同的工況選擇不同的板片結(jié)構(gòu)進(jìn)行工況匹配．結(jié)果表明，用于輻射供冷暖工程時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮板片的換熱性能和流動(dòng)性能．雖然輻射供冷暖系統(tǒng)均屬于大流量、小溫差的換熱工況，但輻射供冷系統(tǒng)的換熱溫差及單位面積質(zhì)量流量小于輻射供暖系統(tǒng)．長(zhǎng)寬比大、波紋高度小、間距小及角度大的板型較為適用;而輻射供暖系統(tǒng)更適合采用長(zhǎng)寬比小、波紋高度大、間距大及角度小的板型．
    關(guān)鍵詞:拼裝式板式換熱器;輻射供冷暖;工況匹配
    中圖分類號(hào):TK 172文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
    文章編號(hào):1674-649X(2011)04-0498-05
    0·引言
    板式換熱器是一種高效、節(jié)能的換熱設(shè)備，具有傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、形式多樣、便于維修等特點(diǎn)，其常見(jiàn)的形式有拼裝式、全焊接式、半焊式、釬焊式等，其中拼裝式板式換熱器應(yīng)用范圍最為廣泛．目前拼裝式板式換熱器主要應(yīng)用在城市集中供熱、石油、輕工、化工、冶金和電力等對(duì)換熱介質(zhì)的溫度、壓力要求不是很高的地方．近年來(lái)，由于輻射供冷暖系統(tǒng)較高的熱舒適性以及節(jié)能的顯著優(yōu)點(diǎn)［1-2］，拼裝式板式換熱器在輻射供冷暖系統(tǒng)中的應(yīng)用日益增加．本文討論拼裝式板式換熱器在低溫輻射供冷暖中的應(yīng)用及工況匹配問(wèn)題．
    1·結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)
    1.1拼裝式板式換熱器結(jié)構(gòu)
    拼裝式(可拆式)板式換熱器由換熱板片、密封墊片、前后擋板、上下導(dǎo)桿、夾緊螺栓等組成，拼裝式板式換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示．其中換熱板片和密封膠條為板式換熱器的核心部件．每個(gè)板片上有4個(gè)角孔，分別是冷熱流體的進(jìn)出通道．若熱(或冷)流體的進(jìn)出口在同一側(cè)則稱為單邊流換熱;若冷(或熱)流體的進(jìn)出口在異側(cè)則稱為對(duì)角流換熱，圖1為典型的單邊流換熱．板式換熱器板片四周有用來(lái)敷設(shè)密封墊片的溝槽，相鄰的板片和其間的密封墊片構(gòu)成密閉的流道，冷熱流體在密封墊片的引導(dǎo)下分別從不同的流道流過(guò)并通過(guò)板片傳遞熱量，達(dá)到換熱的目的．為了提高換熱效果，通常冷熱流體會(huì)被布置成逆流換熱，熱流體從上向下流動(dòng)，冷流體從下向上流動(dòng)．拼裝式板式換熱器的組裝及維護(hù)靈活簡(jiǎn)便，而且板片的數(shù)目也可根據(jù)工況的需要增加或減少．

            
    1.2板片結(jié)構(gòu)及換熱特點(diǎn)
    板式換熱器的板片會(huì)根據(jù)不同流體的性質(zhì)選用不同的金屬材料進(jìn)行壓制．常規(guī)材料為300系列奧氏體不銹鋼，以304、316及316L為主．不銹鋼板片在使用中可能產(chǎn)生腐蝕失效的現(xiàn)象，如點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、均勻腐蝕等，其中由于Cl－濃度大而引起的應(yīng)力腐蝕最為普遍．對(duì)于腐蝕性較大的酸類或鹽類流體，要用到超級(jí)奧氏體不銹鋼或者鈦-鈀合金、鎳及其合金等昂貴的金屬材料．實(shí)際應(yīng)用中，通常根據(jù)換熱流體中Cl－的濃度確定板片的材質(zhì)，常用板材材質(zhì)在含Cl－介質(zhì)中的使用范圍見(jiàn)文獻(xiàn)［3］．輻射供冷暖系統(tǒng)中，若采用一般的自來(lái)水，通常Cl－含量小于25mg·L－1，可采用300系列奧氏體不銹鋼材料;若采用溫泉水供暖或地下水供冷時(shí)，水中Cl－濃度可能較高，應(yīng)對(duì)水進(jìn)行一定的預(yù)處理，降低水中氯離子濃度后再行選擇．
    板片加工時(shí)通常會(huì)被壓制成各種槽型或波紋型，這樣既增加了板片的剛度也增加了換熱面積．目前主要有人字形波紋、水平波紋、豎直波紋、斜波紋等波紋形式，使用較廣的是人字形波紋．當(dāng)板片依次倒置裝配時(shí)便組成了典型的網(wǎng)狀流動(dòng)板型結(jié)構(gòu)，即相鄰的板片之間的觸點(diǎn)呈網(wǎng)格狀，這樣不僅能加強(qiáng)板式換熱器的強(qiáng)度及承壓能力，還能使流體在流道中流動(dòng)時(shí)會(huì)形成螺旋形前進(jìn)軌道，形成強(qiáng)烈的擾動(dòng)．以水為例，當(dāng)雷諾數(shù)Re=20～200時(shí)流體已經(jīng)進(jìn)入湍流狀態(tài)［4］．
    在板片角孔和波紋換熱區(qū)之間是用于換熱介質(zhì)分配的分流區(qū)，分流區(qū)分流能力的高低也決定了板片換熱能力．因?yàn)閾Q熱過(guò)程是通過(guò)換熱介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的，若換熱介質(zhì)分配不均就會(huì)引起換熱熱量分配不均，會(huì)造成換熱量不夠或板片面積浪費(fèi)的后果．而由于單邊流會(huì)使板式換熱器安裝及運(yùn)行管理更加方便，所以目前國(guó)外先進(jìn)的板片都淘汰了直槽型分流區(qū)，取而代之的是更加高效的網(wǎng)格狀分流區(qū)．這樣使由于單邊流引起的流量分配不平衡、流動(dòng)死角引起的換熱效果差的弊端得到了優(yōu)化．
    1.3密封橡膠墊片的特點(diǎn)
    密封墊片是拼裝式板式換熱器各主要部件中最薄弱的環(huán)節(jié)，在板式換熱器中密封墊片承擔(dān)著系統(tǒng)壓力及溫度的沖擊，其質(zhì)量的好壞對(duì)換熱器的性能有直接的影響．目前國(guó)內(nèi)拼裝式板式換熱器的最大設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa，最高設(shè)計(jì)溫度為180℃［5］．采用的主流墊片為乙丙橡膠(EPDM)，它分為普通型和耐高溫型，普通型乙丙橡膠耐溫150℃，耐高溫型乙丙橡膠耐溫為180℃［4］．而耐高溫的氟化橡膠墊片可以達(dá)到250℃，但價(jià)格昂貴，使用范圍非常有限．目前板式換熱器多用于水-水換熱或低壓飽和蒸汽-水換熱，對(duì)于過(guò)熱蒸汽因?yàn)闇囟忍叨话阒挥萌莘e式的換熱器．當(dāng)板式換熱器組裝或更換密封墊片時(shí)，粘貼密封墊片是最耗時(shí)并且人工涂抹膠水的不均勻性也為組裝后的整體質(zhì)量埋下隱患，再者含氯膠水在使用中釋放出的氯元素會(huì)加速換熱板片的腐蝕．為此國(guó)外廠家已經(jīng)發(fā)明了免粘密封墊片，這種墊片帶有卡口扣設(shè)計(jì)，可直接扣壓在板片上，定位準(zhǔn)確、牢固，使組裝和維修的時(shí)間減少．
    2·拼裝式板式換熱器在輻射供冷暖中的應(yīng)用
    輻射供冷暖空調(diào)系統(tǒng)在歐洲和北美已有多年的使用和發(fā)展歷史，與傳統(tǒng)對(duì)流式空調(diào)系統(tǒng)不同的是，輻射供冷暖空調(diào)系統(tǒng)中，輻射換熱量占總熱交換量的50%以上，屬于低溫輻射傳熱為主的空調(diào)系統(tǒng)，其工作原理是夏季向輻射末端內(nèi)輸入18℃左右的冷水，形成冷輻射面;冬季則向輻射末端提供45℃左右的熱水，形成熱輻射面，依靠輻射面與人體、家具以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)其余表面的輻射熱交換進(jìn)行降溫(供暖)．若冷熱源提供的冷熱水溫度過(guò)低或過(guò)高，不能滿足輻射末端溫度要求時(shí)，通常采用板式換熱器或其他方法(如混水等)使冷(熱)媒水溫度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求．
    2.1在輻射供冷中的應(yīng)用
    輻射供冷時(shí)，輻射末端內(nèi)冷水溫度不宜過(guò)低，否則在輻射表面處易產(chǎn)生凝結(jié)水，造成結(jié)露現(xiàn)象．通常，采用控制輻射末端冷水進(jìn)水溫度的方法，使輻射板表面溫度高于空氣露點(diǎn)溫度1～2℃，以防止結(jié)露．輻射供冷系統(tǒng)使用的冷水溫度(16～18℃)通常高于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)(7℃)，較高的冷水溫度為蒸發(fā)冷卻等天然冷源的使用提供了選擇［6-8］，但也使得常規(guī)的冷水機(jī)組產(chǎn)生的冷凍水(供回水溫度為7/12℃)不能直接滿足輻射供冷系統(tǒng)對(duì)對(duì)冷水溫度的要求，通?？刹捎没焖姆椒ǖ玫捷椛涔├渌璧母邷乩渌?］，但為了防止冷水直接通入顯熱換熱末端(特別是毛細(xì)管)后在換熱器內(nèi)表面產(chǎn)生水垢而堵塞，也可采用高效板式換熱器將冷水機(jī)組產(chǎn)生的冷水進(jìn)行逆流換熱后再送入顯熱末端．輻射供冷時(shí)顯熱末端常用的進(jìn)口水溫為16～18℃，回水溫度一般為21～23℃．
    2.2在輻射供暖中的應(yīng)用
    板式換熱器在低溫輻射供熱中的應(yīng)用分為水-水換熱工況和汽-水換熱工況2種．當(dāng)采用蒸汽為熱源時(shí)，蒸汽須采用低壓飽和蒸汽，工程中常用的壓力為:表壓0.3MPa或者表壓0.4MPa，此時(shí)的蒸汽溫度分別為144℃和152℃．當(dāng)采用熱水為熱源時(shí)，所采用的熱水供回水溫度一般為95/70℃．輻射供暖時(shí)，供給輻射末端的熱水溫度也不宜過(guò)高，一般不超過(guò)60℃，其主要原因是:第一，由于輻射面積較大，水溫?zé)o需太高即可達(dá)到室溫設(shè)計(jì)要求;第二，人體舒適要求地面溫度不能過(guò)高;第三，較高水溫下，輻射供暖常用的塑料管材壽命大大降低．根據(jù)建筑保溫及居住者的不同要求，地面溫度通常控制在24～30℃范圍內(nèi)，溫度過(guò)高影響舒適性，造成不必要的浪費(fèi);溫度過(guò)低則達(dá)不到采暖要求．近年來(lái)，國(guó)家對(duì)建筑節(jié)能的要求不斷提高，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫程度越來(lái)越好，這使得實(shí)際使用水溫不斷降低．在常用的管徑、管間距前提下，實(shí)際所需的進(jìn)水溫度往往低于50℃，室外溫度不太低時(shí)，30～40℃的進(jìn)水溫度已可起到明顯的供暖效果．低溫輻射采暖系統(tǒng)常用的進(jìn)出口水溫通常為45/35℃［1］．
    3·用于輻射供冷暖時(shí)的換熱工況匹配
    板式換熱器的選型要從板片的換熱性能和流動(dòng)性能兩方面同時(shí)考慮，即既要保證換熱能力又要保證換熱介質(zhì)能夠流通，因而設(shè)計(jì)工況要求達(dá)到這兩方面的最佳匹配．
    3.1換熱性能匹配
    所謂換熱性能匹配，即計(jì)算輻射供冷暖工況下所需的板式換熱器板片數(shù)，其基本計(jì)算方程為
    Q=KFΔTm，(1)
    ΔTm=［(t1’－t2″)－(t1″－t2’)］/ln［(t1’－t2″)·(t1″－t2’)］－1，(2)
    式中，Q為換熱器的換熱量(W);K為換熱器的傳熱系數(shù)(W/m2·K);F為換熱器的傳熱面積(m2);ΔTm為換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差(℃);t1’，t1″，t2’，t2″分別為一次側(cè)流體的進(jìn)出口溫度、二次側(cè)流體的進(jìn)出口溫度．選型匹配時(shí)，板式換熱器的K值根據(jù)廠家的樣本選擇，確定冷(熱)負(fù)荷及冷(熱)流體進(jìn)出口的溫度后，根據(jù)式(2)可求出ΔTm，特別當(dāng)t1’－t2″=t1″－t2’時(shí)，ΔTm=［(t1’－t2″)+(t1″－t2’)］/2，再根據(jù)公式(1)就可以求出換熱面積，進(jìn)而確定所需板片數(shù)．假設(shè)冷、熱負(fù)荷相等，即Q冷=Q熱．由第2節(jié)可知，夏季工況一次側(cè)為7/12℃，二次側(cè)為18/23℃，則由公式ΔTm=［(t1’－t2″)+(t1″－t2’)］/2可知ΔTm夏=11℃，而冬季工況一次側(cè)為95/70℃，二次側(cè)為45/35℃，由式(2)可知ΔTm冬=42℃，因此由式(1)可知F夏=3．8F冬，即相同負(fù)荷下，夏季工況的換熱面積是冬季工況換熱面積的3.8倍．工程實(shí)際中，冬夏冷熱負(fù)荷通常并不一致，此時(shí)所需的換熱面積需根據(jù)實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行選擇．
    3.2流動(dòng)性能匹配
    上述換熱性能匹配是常規(guī)的換熱器選型計(jì)算，但值得注意的是，由于換熱是由流體介質(zhì)來(lái)承載完成的，若流體介質(zhì)流量不夠則換熱量無(wú)法保證，并且在換熱器的換熱過(guò)程中，流體溫度一直在變化，流體最終的出口溫度及換熱量和流量有直接關(guān)系，其換熱情況隨板型的不同而變化．為此，在拼裝式板式換熱器應(yīng)用于輻射供冷暖時(shí)，不僅需要對(duì)換熱工況進(jìn)行匹配，還需要對(duì)板式換熱器板片的流動(dòng)性能進(jìn)行匹配，進(jìn)而校核其換熱性能．
    為此，還要考慮一次側(cè)及二次側(cè)的過(guò)流能力，計(jì)算方程見(jiàn)公式(3)，(4)，并由流量大的一側(cè)來(lái)確定最終流量．
    Q=G1 c1(t1’－t1″)，(3)
    Q=G2 c2(t2’－t2″)．(4)
    其中G1，G2:一次側(cè)、二次側(cè)流體的流量(kg/s);c1，c2:一次側(cè)、二次側(cè)流體的比熱容(J/kg·℃)．假設(shè)冷、熱負(fù)荷相等，即Q冷=Q熱，由上節(jié)分析可知，夏季輻射供冷時(shí)一次側(cè)為7/12℃，二次側(cè)為18/23℃，冬季輻射供暖時(shí)一次側(cè)為95/70℃，二次側(cè)為45/35℃，由公式(4)可知G1夏=G2夏，G1冬=0．4G2冬，即夏季輻射供冷時(shí)，一二次側(cè)流體流量相同，屬于等流量工況，而冬季輻射供暖時(shí)，高溫的一次側(cè)水相對(duì)于用戶側(cè)的二次水而言，流量較小，屬于偏流量工況，對(duì)于偏流量工況，選型時(shí)應(yīng)該按照流量大的一側(cè)進(jìn)行選型．在相同的冬夏負(fù)荷下，夏季二次側(cè)水溫差通常為5℃，而冬季二次側(cè)水溫差為10℃，夏季二次側(cè)水流量是冬季二次側(cè)水流量的2倍，即G2夏=2G2冬．
    由以上分析可知，在相同的冬夏負(fù)荷下，夏季輻射供冷時(shí)的換熱面積為冬季輻射供暖時(shí)的3.8倍，而流量?jī)H為冬季工況的2倍，冬夏工況板片單位面積的流量之比為1.9∶1．雖然輻射供冷暖系統(tǒng)均屬于典型的大流量、小溫差系統(tǒng)，但它們之間仍存在一定的細(xì)部差別，輻射供冷系統(tǒng)換熱溫差及單位面積流量均小于輻射供暖系統(tǒng)．下面以某公司生產(chǎn)的兩個(gè)不同型號(hào)板片為例說(shuō)明冬夏兩個(gè)工況下板式換熱器選型匹配的差別．

圖2兩種不同板片形狀的拼裝式板式換熱器

    圖2為兩種不同板片形狀的拼裝式板式換熱器．圖2左側(cè)為S65型板片，右側(cè)為S64型板片，它們的換熱面積相等．假設(shè)冬夏負(fù)荷相同，由上述分析可知輻射供暖和輻射供冷兩種工況下，換熱參數(shù)分別如圖3(a)，(b)所示．在圖3(a)的輻射供暖工況下，分別用兩種板型選型，結(jié)果S65型為18片，S64型為65片．而在圖3(b)所示的輻射供冷工況下，分別用兩種板型選型，結(jié)果S65型為172片，S64型為76片．可見(jiàn)，在換熱量相等的情況下，不同板型的板片數(shù)量有很大的差別，即不同板型的板片有不同的適用工況．分析其原因，是因?yàn)镾65型的板片長(zhǎng)寬比較小，在相同的板間流速下會(huì)較快地通過(guò)板片，因此換熱不是很充分，但是單位面積可通過(guò)的流量較大，因此S65型的板片適用于一、二次側(cè)單位面積換熱流量較大的工況．而S64型剛好相反，適用于一、二次側(cè)換單位面積熱流量較小的工況．即在圖3(a)的換熱工況下，S65型板片換熱效果要優(yōu)于S64型板片，而在圖3(b)的換熱工況下，S64型板片換熱效果要優(yōu)于S65型板片．

 
    由此可見(jiàn)板片的流動(dòng)性能和換熱性能是息息相關(guān)的，不同的板片都能覆蓋一定的熱力工況范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)板片處于高效換熱，但是超過(guò)這個(gè)范圍后換熱性或者流動(dòng)效率就會(huì)下降．對(duì)于常見(jiàn)的人字形板式換熱器，除了板片的長(zhǎng)寬比外，波紋間距、波紋高度、波紋角度等參數(shù)均直接影響著板片的流動(dòng)性能和換熱性能［10-11］，拼裝式板式換熱器板片的換熱及流動(dòng)性能與板片結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系見(jiàn)表1．

             
    4·結(jié)論
    (1)拼裝式板式換熱器是一種高效、緊湊且使用靈活的換熱設(shè)備，但受溫度、壓力的限制較大，其換熱特點(diǎn)適合低溫輻射供冷暖的工況要求，但使用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況要求，從換熱和流動(dòng)兩方面進(jìn)行匹配，根據(jù)不同的工況要求選擇不同的板片結(jié)構(gòu)．
    (2)雖然輻射供冷暖系統(tǒng)均屬于大流量、小溫差的換熱工況，但相對(duì)而言，輻射供冷系統(tǒng)的換熱溫差及單位面積流量小于輻射供暖系統(tǒng)，適合長(zhǎng)寬比大、波紋高度小、波紋間距小及波紋角度大的板型，而輻射供暖系統(tǒng)換熱溫差及流量較大，長(zhǎng)寬比小、波紋高度大、波紋間距大及波紋角度小的板型更為適用．
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