拼裝式板式換熱器在輻射供冷暖中的應用

宣永梅，安建良，黃翔

(西安工程大學環境與化學工程學院，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用及換熱工況匹配等問題，根據不同的工況選擇不同的板片結構進行工況匹配．結果表明，用于輻射供冷暖工程時，應同時考慮板片的換熱性能和流動性能．雖然輻射供冷暖系統均屬于大流量、小溫差的換熱工況，但輻射供冷系統的換熱溫差及單位面積質量流量小于輻射供暖系統．長寬比大、波紋高度小、間距小及角度大的板型較為適用;而輻射供暖系統更適合采用長寬比小、波紋高度大、間距大及角度小的板型．
    關鍵詞:拼裝式板式換熱器;輻射供冷暖;工況匹配
    中圖分類號:TK 172文獻標識碼:A
    文章編號:1674-649X(2011)04-0498-05
    0·引言
    板式換熱器是一種高效、節能的換熱設備，具有傳熱系數高、結構緊湊、形式多樣、便于維修等特點，其常見的形式有拼裝式、全焊接式、半焊式、釬焊式等，其中拼裝式板式換熱器應用范圍最為廣泛．目前拼裝式板式換熱器主要應用在城市集中供熱、石油、輕工、化工、冶金和電力等對換熱介質的溫度、壓力要求不是很高的地方．近年來，由于輻射供冷暖系統較高的熱舒適性以及節能的顯著優點［1-2］，拼裝式板式換熱器在輻射供冷暖系統中的應用日益增加．本文討論拼裝式板式換熱器在低溫輻射供冷暖中的應用及工況匹配問題．
    1·結構及其特點
    1.1拼裝式板式換熱器結構
    拼裝式(可拆式)板式換熱器由換熱板片、密封墊片、前后擋板、上下導桿、夾緊螺栓等組成，拼裝式板式換熱器結構如圖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．每個板片上有4個角孔，分別是冷熱流體的進出通道．若熱(或冷)流體的進出口在同一側則稱為單邊流換熱;若冷(或熱)流體的進出口在異側則稱為對角流換熱，圖1為典型的單邊流換熱．板式換熱器板片四周有用來敷設密封墊片的溝槽，相鄰的板片和其間的密封墊片構成密閉的流道，冷熱流體在密封墊片的引導下分別從不同的流道流過并通過板片傳遞熱量，達到換熱的目的．為了提高換熱效果，通常冷熱流體會被布置成逆流換熱，熱流體從上向下流動，冷流體從下向上流動．拼裝式板式換熱器的組裝及維護靈活簡便，而且板片的數目也可根據工況的需要增加或減少．

            
    1.2板片結構及換熱特點
    板式換熱器的板片會根據不同流體的性質選用不同的金屬材料進行壓制．常規材料為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生腐蝕失效的現象，如點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕、均勻腐蝕等，其中由于Cl－濃度大而引起的應力腐蝕最為普遍．對于腐蝕性較大的酸類或鹽類流體，要用到超級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．實際應用中，通常根據換熱流體中Cl－的濃度確定板片的材質，常用板材材質在含Cl－介質中的使用范圍見文獻［3］．輻射供冷暖系統中，若采用一般的自來水，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，水中Cl－濃度可能較高，應對水進行一定的預處理，降低水中氯離子濃度后再行選擇．
    板片加工時通常會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．當板片依次倒置裝配時便組成了典型的網狀流動板型結構，即相鄰的板片之間的觸點呈網格狀，這樣不僅能加強板式換熱器的強度及承壓能力，還能使流體在流道中流動時會形成螺旋形前進軌道，形成強烈的擾動．以水為例，當雷諾數Re=20～200時流體已經進入湍流狀態［4］．
    在板片角孔和波紋換熱區之間是用于換熱介質分配的分流區，分流區分流能力的高低也決定了板片換熱能力．因為換熱過程是通過換熱介質實現的，若換熱介質分配不均就會引起換熱熱量分配不均，會造成換熱量不夠或板片面積浪費的后果．而由于單邊流會使板式換熱器安裝及運行管理更加方便，所以目前國外先進的板片都淘汰了直槽型分流區，取而代之的是更加高效的網格狀分流區．這樣使由于單邊流引起的流量分配不平衡、流動死角引起的換熱效果差的弊端得到了優化．
    1.3密封橡膠墊片的特點
    密封墊片是拼裝式板式換熱器各主要部件中最薄弱的環節，在板式換熱器中密封墊片承擔著系統壓力及溫度的沖擊，其質量的好壞對換熱器的性能有直接的影響．目前國內拼裝式板式換熱器的最大設計壓力為2.5MPa，最高設計溫度為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到250℃，但價格昂貴，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，對于過熱蒸汽因為溫度太高而一般只用容積式的換熱器．當板式換熱器組裝或更換密封墊片時，粘貼密封墊片是最耗時并且人工涂抹膠水的不均勻性也為組裝后的整體質量埋下隱患，再者含氯膠水在使用中釋放出的氯元素會加速換熱板片的腐蝕．為此國外廠家已經發明了免粘密封墊片，這種墊片帶有卡口扣設計，可直接扣壓在板片上，定位準確、牢固，使組裝和維修的時間減少．
    2·拼裝式板式換熱器在輻射供冷暖中的應用
    輻射供冷暖空調系統在歐洲和北美已有多年的使用和發展歷史，與傳統對流式空調系統不同的是，輻射供冷暖空調系統中，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系統，其工作原理是夏季向輻射末端內輸入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、家具以及圍護結構其余表面的輻射熱交換進行降溫(供暖)．若冷熱源提供的冷熱水溫度過低或過高，不能滿足輻射末端溫度要求時，通常采用板式換熱器或其他方法(如混水等)使冷(熱)媒水溫度達到系統設計要求．
    2.1在輻射供冷中的應用
    輻射供冷時，輻射末端內冷水溫度不宜過低，否則在輻射表面處易產生凝結水，造成結露現象．通常，采用控制輻射末端冷水進水溫度的方法，使輻射板表面溫度高于空氣露點溫度1～2℃，以防止結露．輻射供冷系統使用的冷水溫度(16～18℃)通常高于常規空調系統(7℃)，較高的冷水溫度為蒸發冷卻等天然冷源的使用提供了選擇［6-8］，但也使得常規的冷水機組產生的冷凍水(供回水溫度為7/12℃)不能直接滿足輻射供冷系統對對冷水溫度的要求，通常可采用混水的方法得到輻射供冷所需的高溫冷水［9］，但為了防止冷水直接通入顯熱換熱末端(特別是毛細管)后在換熱器內表面產生水垢而堵塞，也可采用高效板式換熱器將冷水機組產生的冷水進行逆流換熱后再送入顯熱末端．輻射供冷時顯熱末端常用的進口水溫為16～18℃，回水溫度一般為21～23℃．
    2.2在輻射供暖中的應用
    板式換熱器在低溫輻射供熱中的應用分為水-水換熱工況和汽-水換熱工況2種．當采用蒸汽為熱源時，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，此時的蒸汽溫度分別為144℃和152℃．當采用熱水為熱源時，所采用的熱水供回水溫度一般為95/70℃．輻射供暖時，供給輻射末端的熱水溫度也不宜過高，一般不超過60℃，其主要原因是:第一，由于輻射面積較大，水溫無需太高即可達到室溫設計要求;第二，人體舒適要求地面溫度不能過高;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，溫度過高影響舒適性，造成不必要的浪費;溫度過低則達不到采暖要求．近年來，國家對建筑節能的要求不斷提高，圍護結構的保溫程度越來越好，這使得實際使用水溫不斷降低．在常用的管徑、管間距前提下，實際所需的進水溫度往往低于50℃，室外溫度不太低時，30～40℃的進水溫度已可起到明顯的供暖效果．低溫輻射采暖系統常用的進出口水溫通常為45/35℃［1］．
    3·用于輻射供冷暖時的換熱工況匹配
    板式換熱器的選型要從板片的換熱性能和流動性能兩方面同時考慮，即既要保證換熱能力又要保證換熱介質能夠流通，因而設計工況要求達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，即計算輻射供冷暖工況下所需的板式換熱器板片數，其基本計算方程為
    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(W/m2·K);F為換熱器的傳熱面積(m2);ΔTm為換熱器的對數平均溫差(℃);t1’，t1″，t2’，t2″分別為一次側流體的進出口溫度、二次側流體的進出口溫度．選型匹配時，板式換熱器的K值根據廠家的樣本選擇，確定冷(熱)負荷及冷(熱)流體進出口的溫度后，根據式(2)可求出ΔTm，特別當t1’－t2″=t1″－t2’時，ΔTm=［(t1’－t2″)+(t1″－t2’)］/2，再根據公式(1)就可以求出換熱面積，進而確定所需板片數．假設冷、熱負荷相等，即Q冷=Q熱．由第2節可知，夏季工況一次側為7/12℃，二次側為18/23℃，則由公式ΔTm=［(t1’－t2″)+(t1″－t2’)］/2可知ΔTm夏=11℃，而冬季工況一次側為95/70℃，二次側為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．工程實際中，冬夏冷熱負荷通常并不一致，此時所需的換熱面積需根據實際負荷進行選擇．
    3.2流動性能匹配
    上述換熱性能匹配是常規的換熱器選型計算，但值得注意的是，由于換熱是由流體介質來承載完成的，若流體介質流量不夠則換熱量無法保證，并且在換熱器的換熱過程中，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用于輻射供冷暖時，不僅需要對換熱工況進行匹配，還需要對板式換熱器板片的流動性能進行匹配，進而校核其換熱性能．
    為此，還要考慮一次側及二次側的過流能力，計算方程見公式(3)，(4)，并由流量大的一側來確定最終流量．
    Q=G1 c1(t1’－t1″)，(3)
    Q=G2 c2(t2’－t2″)．(4)
    其中G1，G2:一次側、二次側流體的流量(kg/s);c1，c2:一次側、二次側流體的比熱容(J/kg·℃)．假設冷、熱負荷相等，即Q冷=Q熱，由上節分析可知，夏季輻射供冷時一次側為7/12℃，二次側為18/23℃，冬季輻射供暖時一次側為95/70℃，二次側為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，一二次側流體流量相同，屬于等流量工況，而冬季輻射供暖時，高溫的一次側水相對于用戶側的二次水而言，流量較小，屬于偏流量工況，對于偏流量工況，選型時應該按照流量大的一側進行選型．在相同的冬夏負荷下，夏季二次側水溫差通常為5℃，而冬季二次側水溫差為10℃，夏季二次側水流量是冬季二次側水流量的2倍，即G2夏=2G2冬．
    由以上分析可知，在相同的冬夏負荷下，夏季輻射供冷時的換熱面積為冬季輻射供暖時的3.8倍，而流量僅為冬季工況的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均屬于典型的大流量、小溫差系統，但它們之間仍存在一定的細部差別，輻射供冷系統換熱溫差及單位面積流量均小于輻射供暖系統．下面以某公司生產的兩個不同型號板片為例說明冬夏兩個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左側為S65型板片，右側為S64型板片，它們的換熱面積相等．假設冬夏負荷相同，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，結果S65型為172片，S64型為76片．可見，在換熱量相等的情況下，不同板型的板片數量有很大的差別，即不同板型的板片有不同的適用工況．分析其原因，是因為S65型的板片長寬比較小，在相同的板間流速下會較快地通過板片，因此換熱不是很充分，但是單位面積可通過的流量較大，因此S65型的板片適用于一、二次側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于S65型板片．

 
    由此可見板片的流動性能和換熱性能是息息相關的，不同的板片都能覆蓋一定的熱力工況范圍，在這個范圍內板片處于高效換熱，但是超過這個范圍后換熱性或者流動效率就會下降．對于常見的人字形板式換熱器，除了板片的長寬比外，波紋間距、波紋高度、波紋角度等參數均直接影響著板片的流動性能和換熱性能［10-11］，拼裝式板式換熱器板片的換熱及流動性能與板片結構之間的關系見表1．

             
    4·結論
    (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備，但受溫度、壓力的限制較大，其換熱特點適合低溫輻射供冷暖的工況要求，但使用時應根據實際工況要求，從換熱和流動兩方面進行匹配，根據不同的工況要求選擇不同的板片結構．
    (2)雖然輻射供冷暖系統均屬于大流量、小溫差的換熱工況，但相對而言，輻射供冷系統的換熱溫差及單位面積流量小于輻射供暖系統，適合長寬比大、波紋高度小、波紋間距小及波紋角度大的板型，而輻射供暖系統換熱溫差及流量較大，長寬比小、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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