為提高傳熱系數(shù)K值

第七章?lián)Q熱設(shè)備一、換熱設(shè)備的功能和分類

換熱設(shè)備（換熱器）：溫度不同的兩種流體相互交換熱量的設(shè)備。

建筑內(nèi)部熱水供應(yīng)中，換熱設(shè)備常用的分類方法：

(1)按貯熱容積的大小，分為容積式，半容積式，半即熱式和快速式。

(2)按工作原理，分為間壁式和混合式。

間壁式換熱器:固體壁面將熱媒和被加熱的冷水隔開，通過對流和熱傳導(dǎo)傳遞熱量。熱媒可循環(huán)使用。分為水-水式和汽水式。

混合式換熱器:熱媒和被加熱的水直接接觸，彼此混合進(jìn)行熱量交換。分為汽水混合換熱器，蒸汽噴射消聲換熱器，渦旋式蒸汽換熱器。熱媒和被加熱的水一起從衛(wèi)生設(shè)備流出，不能循環(huán)使用。(3)按換熱器的構(gòu)造分為管殼式、板式和螺旋板式。

(4)按換熱器的放置，分為臥式和立式。(5)按換熱管的形式，分為列管式、固定U形管和浮動盤管式。（6）按換熱管的多少又分為單管束、雙管束和多管束。二、常用換熱器的構(gòu)造和特點（一）容積式換熱器1、傳統(tǒng)的容積式換熱器1）構(gòu)造2）傳統(tǒng)容積式換熱器的優(yōu)缺點

a)兼具換熱、貯熱功能。換熱管束上部的貯熱部分為不均勻用水的熱水供應(yīng)系統(tǒng)提供了一個貯存與調(diào)節(jié)的容積，出水溫度穩(wěn)定，供水安全可靠。

b)被加熱水通過罐體阻力損失很小。c)對熱媒要求不嚴(yán)。

d)結(jié)構(gòu)簡單，管理方便，可承受水壓，噪聲低。e)

傳熱效果差、熱媒流速低、流程短、換熱很不充分，一級換熱難以滿足使用要求。

f)容積利用率低。（換熱管束上部的同溫?zé)崴畢^(qū)約占罐體容積的60%）g)體積大，一次投資高。

h)水質(zhì)易受污染。i)不節(jié)能。

2、新型臥式容積式換熱器

傳熱系數(shù)K式中——管束壁厚。

——換熱管束內(nèi)熱媒向管束內(nèi)壁的放熱系數(shù)

——管束內(nèi)壁向外壁的導(dǎo)熱系數(shù)

——管束外壁向被加熱水的放熱系數(shù)。

為提高傳熱系數(shù)K值，可減小換熱管的管徑和附加導(dǎo)流、阻流裝置來實現(xiàn)。管徑的減小可增大熱媒流速，流速的增大不僅直接提高了值，而且可以改變熱媒在管束內(nèi)流動的流態(tài)，使其形成紊流，更進(jìn)一步提高了熱媒的放熱效果。同時由于熱媒管束管徑的減小，管壁厚度可相應(yīng)減小，相應(yīng)地減小了熱阻。

附加一些導(dǎo)流、阻流裝置，組織被加熱水流經(jīng)換熱管束，局部提高其流速，從而增大換熱管外壁向被加熱水的放熱系數(shù)。同時，導(dǎo)流、阻流裝置還可促使換熱器內(nèi)被加熱水在升溫階段形成較強的對流，提高換熱效果和最大限度地減少冷水區(qū)容積，提高了容積利用系數(shù)。

新型臥式容積式換熱器的特點

1)提高了傳熱系數(shù)2)提高了容積利用率3)面積小4)節(jié)能5)換熱系統(tǒng)簡化

3、新型立式容積式換熱器

改進(jìn)之處：1)采用立式交錯雙盤管結(jié)構(gòu)

換熱管束規(guī)格采用的鋼管或銅管。兩換熱盤管上下錯開，方便平面布置，節(jié)省占地面積，增大換熱面積。

2)合理布置盤管管束在管程局部地方改變介質(zhì)流態(tài)使其形成紊流，提高傳熱效果。

3)罐內(nèi)適當(dāng)配置導(dǎo)流裝置局部提高被加熱水的流速，并使其形成強制自然循環(huán)，減少罐內(nèi)的冷水區(qū)。

新型立式容積式換熱器的特點

1）傳熱系數(shù)K值提高

上下交錯排列的管程結(jié)構(gòu)，即提高了熱媒流速，造成管程局部紊流，提高了熱媒對管內(nèi)壁的放熱系數(shù)；又使被加熱水在上升過程中，兩次垂直沖刷換熱管束，提高了換熱能力。

因為熱媒與被加熱水逆向流動，出口處溫度最高的被加熱水與溫度最高的熱媒相遇，換熱處于一種最佳工況。被加熱水溫度均高于熱媒出口溫度，達(dá)到了理想的傳熱效果。

罐內(nèi)設(shè)置的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)起到組織被加熱水流經(jīng)換熱管束，提高被加熱水流速的作用，從而增大換熱管外壁向被加熱水的放熱系數(shù)。2)提高了容器利用率

新型立式容積式換熱器的冷水區(qū)只占整個罐體容積的5％～10％，容器利用率比立式傳統(tǒng)容積式熱水器大大提高。3)節(jié)能效果明顯

以蒸汽為熱媒時，回收凝結(jié)水的溫度低。換熱量大，換熱能力強，升溫快，達(dá)到定溫時間短，一級換熱就滿足使用要求，換熱器數(shù)量大大減少，減少了表面散熱損失，起到節(jié)能作用。4)熱媒阻力增大5）系統(tǒng)簡化，方便維修使用4、浮動盤管容積式換熱器

分配器的作用：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；又起阻尼作用，防止共振破壞。水平螺旋型浮動盤管優(yōu)點：螺旋管的旋轉(zhuǎn)半徑大，換熱面積大，換熱量大。缺點：其構(gòu)造有如串糖葫蘆，中間只要有一根管出了問題，則整個管束都報廢，無法更換，也無法采取其他補救措施。臥式和立式浮動盤管容積式換熱器浮動盤管容積式換熱器與U形管換熱器相比優(yōu)點

1）提高了傳熱系數(shù)K值浮動盤管型換熱器的K平均值分別為新型臥式和立式容積式換熱器的1．40和1．31倍。2)提高了容積利用率浮動盤管形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)自動除垢，減小了檢修工作量浮動盤管內(nèi)流動的高溫?zé)崦绞遣粩嘧兓?，紫銅盤管會不斷伸縮，盤管局部發(fā)生變形，附著在管外壁的水垢也會產(chǎn)生膨脹和收縮。水垢的熱膨脹系數(shù)比管壁小，兩者的脹縮量不同，使水垢自動脫落。

浮動盤管容積式換熱器與U形管換熱器相比缺點1）各圈管的流程相差很大，最外圈約是最內(nèi)圈長度的8倍。因此，內(nèi)圈熱媒流量大，外圍流量小，熱媒分布極不均勻。2）浮動盤管立置時，熱媒沿分水立管、集水立管自下而上均勻分布也會造成熱媒短路。3）熱媒只流經(jīng)一組或一根螺旋管，很難做到充分換熱，汽水換熱時不易將高溫凝結(jié)水的溫度降下來。

4）盤管臥置用于汽一水換熱時，會造成汽水撞擊和噪聲。由于換熱器是間斷工作的，凝結(jié)水會積聚在盤管下部，且無法及時排除，這樣就會出現(xiàn)汽、水撞擊，產(chǎn)生噪聲，每次汽、水撞擊都可能使管束與分水立管、集水立管連接處脫焊，損壞管束。（二）半容積式換熱器1、半容積式換熱器的構(gòu)造內(nèi)循環(huán)泵的作用

提高被加熱水通過換熱器時的流速，即提高傳熱系數(shù)K值和換熱能力；克服被加熱水流經(jīng)換熱器時的阻力損失；使被加熱水在貯熱水罐與內(nèi)藏式快速水換熱器之間不間斷的循環(huán)，罐體容積利用率可達(dá)lOO％。

半容積式換熱器的特點1)容積利用率高利用率達(dá)100%。整罐水為同溫水，無冷水區(qū)和低溫水區(qū)，防止軍團(tuán)菌滋生。2)傳熱系數(shù)K值高因被加熱水強制循環(huán)，流速大，K值高，換熱充分，單罐產(chǎn)熱量高，換熱量大。3)被加熱水阻力損失小在設(shè)計流量下，水頭損失小于2kPa。供水壓力變化很小，能保證系統(tǒng)內(nèi)冷、熱水供水壓力的平衡。

4)換熱器體積小是容積式水換熱器的1／2~1／3。

5)構(gòu)造簡單溫控條件基本上同容積式水換熱器，不需要特殊的溫度、安全控制裝置。

6)節(jié)能汽一水換熱時，能回收部分高溫凝結(jié)水的余熱，冷凝水溫度小于75℃，換熱充分，節(jié)約能源。

7)減少設(shè)備數(shù)量其占地面積只為容積式換熱器的1／3~1／6，節(jié)省了工程造價，罐體選用不銹鋼材質(zhì)，為保證水質(zhì)、防止污染和延長設(shè)備使用壽命創(chuàng)造了條件。

8)罐型小，重量輕，便于安裝、維修。（三）快速式換熱器快速式換熱器——換熱器管束內(nèi)外兩種介質(zhì)流速快、傳熱系數(shù)K值高，換熱量大，阻力損失大、沒有貯熱調(diào)節(jié)功能的換熱器。

分類：快速式換熱器有殼程式、板式、螺旋板式等幾種，建筑給排水工程中使用較多的是管殼式。殼程式單管式（2管程、4管程、6管程和8管程）多用于汽-水換熱器管束式（2管程和4管程）有汽-水，水-水兩種管束式換熱器構(gòu)造：由殼體、管箱、管板、換熱管束、管箱連接管、殼體連接管組成。換熱器兩端的管箱由封頭、短節(jié)和法蘭組成，在管箱側(cè)面設(shè)有管程介質(zhì)的進(jìn)出口接管。管箱的作用是把管道中來的流體，均勻分配到各個換熱管中去，并將換熱管內(nèi)地流體匯集到一起送出換熱器。換熱管束與管板連接，有固定管板式和浮頭式兩種。固定管板式換熱器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單而緊湊，制造成本低，在殼體直徑相同時，排管數(shù)量最多。缺點：殼程不能用機械方法清洗，檢查困難。適用于：被加熱水硬度低，殼體與管束溫差小，或溫差稍大但殼程壓力不高以及殼程內(nèi)介質(zhì)不易結(jié)垢，或結(jié)垢能用化學(xué)方法清洗的場合。浮頭式換熱器優(yōu)點：1）殼體和管束的熱變形是自由的，當(dāng)殼程與管程兩種介質(zhì)的溫差較大時，管束與殼體之間不產(chǎn)生熱應(yīng)力；2）管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修、清洗。缺點：1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高；2）為使浮動管板能隨管束一起從殼體中抽出，使管束外緣與殼壁之間形成了一定寬度的環(huán)隙，減少了排管數(shù)目，增大了管束外圍的旁路流量，影響了換熱器的熱效率。板式換熱器傳熱板片是板式換熱器的關(guān)鍵元件，不同形式的板片直接影響到傳熱系數(shù)、流動阻力和承受壓力的能力。板片的材料，通常為不銹鋼。板式換熱器傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、密封可靠、金屬消耗量低、組裝使用靈活(傳熱面積可以靈活變更)、拆裝清洗方便等。螺旋板式換熱器由兩塊平行的金屬板卷成螺旋形，構(gòu)成兩個螺旋通道，兩端用蓋板封堵。冷熱兩種流體分別在兩個螺旋通道中流動，一種流體中間進(jìn)周邊出，另一種流體周邊進(jìn)中間出。螺旋板換熱器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，流動阻力較小，造價低；缺點：清洗檢修困難，承壓能力低。（四）半即熱式換熱器

由于半即熱式水換熱器容積較小，水在換熱器中停留的時間短，熱容量也隨之減少，當(dāng)熱水管網(wǎng)用水負(fù)荷變化時，如不采取措施，那么水換熱器出口處的水溫很難保持穩(wěn)定。為此，半即熱式水換熱器采用設(shè)置分流管和溫控系統(tǒng)的方法來解決。半即熱式換熱器有汽一水式和水一水式兩種，罐直徑有450mm和600mm兩種．換熱器總高在1726～3916mm之間。

半即熱式換熱器特點1)傳熱系數(shù)K值高內(nèi)部體積小，被加熱水的過水?dāng)嗝嫘?，加大了水流速度，被加熱水和熱媒的紊流都有利于提高傳熱系?shù)。盤管采用薄壁銅管，也有利于提高傳熱系數(shù)。

2)自動除垢懸臂安裝方式的螺旋形浮動換熱銅盤管在通過熱媒時，會產(chǎn)生高頻振蕩和伸縮現(xiàn)象，盤管外部形成的水垢將會自動脫落，便于維修管理，使用壽命長。出水溫度穩(wěn)定，預(yù)測器連續(xù)監(jiān)測水溫及流量，調(diào)節(jié)進(jìn)入換熱器的熱媒流量，使出水溫度能保持在設(shè)定值的±2.2℃范圍內(nèi)。

3)體積小熱水貯存容量小，僅為半容積式水換熱器的1／5。結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，且便于搬運和安裝。

4)節(jié)能凝結(jié)水有自動過冷卻裝置，冷凝水溫度≤60℃，使熱媒的熱量能充分利用，可節(jié)約蒸汽耗量15％。溫度控制系統(tǒng)使熱水的供需達(dá)到動態(tài)平衡，減少熱能損失。另外換熱器小，外表面積小，熱損失少。

5)適用范圍廣可使用蒸汽、高溫水、低溫水三種熱媒。

6)罐體內(nèi)用銅質(zhì)材料襯砌不污染熱水水質(zhì)。（五）混合式換熱器

混合式換熱器是一種熱媒與被加熱水直接在管狀或罐狀容器中混合，不斷加熱被加熱水的換熱器，屬直接加熱方式。特點：加熱快，效率高，噪聲低、無振動、安裝方便，成本低廉。三、換熱器的適用條件和選型（一）換熱器性能評價

在選型和設(shè)計時，一般應(yīng)考慮下列幾項基本要求：

滿足用熱水需要(如換熱量、水溫)；強度可靠；便于制造、安裝和檢修；節(jié)能、投資少。評價方法：

（1）單項性能評價對換熱器的各個單項性能分別進(jìn)行評價，如傳熱系數(shù)、阻力降、換熱器效能、單位傳熱面積的價格，耗鋼材量等。這種方法不考慮其他因素的影響，簡單易行，但不全面，適宜于相同工作條件下同類型換熱器的比較判別。

（2）雙項性能評價通過實際實驗測試或模型計算，找出兩指標(biāo)間的變化規(guī)律，反映換熱器這兩項主要性能的綜合效果。如傳熱量與動力消耗，能量轉(zhuǎn)換和利用率、傳熱面積與換熱器體積、傳熱面積與金屬消耗量、傳熱面積與造價、傳熱面積與占地面積等。這些指標(biāo)能表達(dá)不同類型換熱器的主要優(yōu)點或缺陷，是換熱器選型的重要依據(jù)。也適用于各類型換熱器在合理利用能源方面的評價。（二）換熱器的適用條件

容積式換熱器適用于熱水用量大、且用水不均勻的建筑物，如民用建筑和工業(yè)企業(yè)的生活用水。采用半容積式水換熱器時，熱媒供給必須能保證最大小時耗熱量的要求，溫控裝置要可靠，而且熱水系統(tǒng)應(yīng)設(shè)循環(huán)泵。半容積式水換熱器不適用于以低溫水為熱媒的工況。半即熱式換熱器熱媒要按秒流量供給(需要考慮最大時內(nèi)熱水用水量的變化)，熱媒供給流量為半容積式換熱器的2倍以上。否則，就可能出現(xiàn)換熱器瞬時升溫過快燙傷人，或因貯熱調(diào)節(jié)量太小，熱水不能正常供應(yīng)的現(xiàn)象。

快速式換熱器只適用于用熱水均勻的工業(yè)建筑和大型公共建筑。不宜單獨用于生活熱水系統(tǒng)。若生活熱水系統(tǒng)使用快速式換熱器，應(yīng)與專用貯熱設(shè)備熱水箱或熱水罐配套實用，這樣才能保證熱水供應(yīng)系統(tǒng)中水溫水壓的穩(wěn)定。

混合式換熱器適用于生產(chǎn)蒸汽的用水不需要處理，用熱量不大的一次性加熱或循環(huán)加熱系統(tǒng)。如浴池、游泳池等。（三）換熱器的選型對于建筑物內(nèi)部的熱水供應(yīng)系統(tǒng)，在選擇換熱器類型時應(yīng)綜合考慮以下5個方面的因素：

(1)熱媒供給條件影響換熱器選擇的主要因素是熱媒種類和供應(yīng)情況，生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱媒有蒸汽或高溫軟化熱水兩種，來源或是區(qū)域熱網(wǎng)或是自備熱源。熱媒為蒸汽時，只要熱源充足，選用快速式、半即熱式、半容積式和容積式換熱器都可以；熱媒為熱水時，在換熱面積相同的條件下，以熱水為熱媒的換熱能力只有蒸汽為熱媒換熱能力的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，否則有可能產(chǎn)生供熱不足的問題。當(dāng)采用燃油燃?xì)鈾C組等自備熱源時，宜選用貯熱容積為20min左右的半容積或