混合式换热器

第七章换热设备一、换热设备的功能和分类换热设备（换热器）：温度不同的两种流体相互交换热量的设备。建筑内部热水供应中，换热设备常用的分类方法：(1)按贮热容积的大小，分为容积式，半容积式，半即热式和快速式。(2)按工作原理，分为间壁式和混合式。间壁式换热器:固体壁面将热媒和被加热的冷水隔开，通过对流和热传导传递热量。热媒可循环使用。分为水-水式和汽水式。混合式换热器:热媒和被加热的水直接接触，彼此混合进行热量交换。分为汽水混合换热器，蒸汽喷射消声换热器，涡旋式蒸汽换热器。热媒和被加热的水一起从卫生设备流出，不能循环使用。(3)按换热器的构造分为管壳式、板式和螺旋板式。(4)按换热器的放置，分为卧式和立式。(5)按换热管的形式，分为列管式、固定U形管和浮动盘管式。（6）按换热管的多少又分为单管束、双管束和多管束。二、常用换热器的构造和特点（一）容积式换热器1、传统的容积式换热器1）构造2）传统容积式换热器的优缺点a)兼具换热、贮热功能。换热管束上部的贮热部分为不均匀用水的热水供应系统提供了一个贮存与调节的容积，出水温度稳定，供水安全可靠。b)被加热水通过罐体阻力损失很小。c)对热媒要求不严。d)结构简单，管理方便，可承受水压，噪声低。e)传热效果差、热媒流速低、流程短、换热很不充分，一级换热难以满足使用要求。f)容积利用率低。（换热管束上部的同温热水区约占罐体容积的60%）g)体积大，一次投资高。h)水质易受污染。i)不节能。2、新型卧式容积式换热器传热系数K式中——管束壁厚。——换热管束内热媒向管束内壁的放热系数——管束内壁向外壁的导热系数——管束外壁向被加热水的放热系数。为提高传热系数K值，可减小换热管的管径和附加导流、阻流装置来实现。管径的减小可增大热媒流速，流速的增大不仅直接提高了值，而且可以改变热媒在管束内流动的流态，使其形成紊流，更进一步提高了热媒的放热效果。同时由于热媒管束管径的减小，管壁厚度可相应减小，相应地减小了热阻。附加一些导流、阻流装置，组织被加热水流经换热管束，局部提高其流速，从而增大换热管外壁向被加热水的放热系数。同时，导流、阻流装置还可促使换热器内被加热水在升温阶段形成较强的对流，提高换热效果和最大限度地减少冷水区容积，提高了容积利用系数。21111aaK1a2a1a新型卧式容积式换热器的特点1)提高了传热系数2)提高了容积利用率3)面积小4)节能5)换热系统简化3、新型立式容积式换热器改进之处：1)采用立式交错双盘管结构换热管束规格采用的钢管或铜管。两换热盘管上下错开，方便平面布置，节省占地面积，增大换热面积。2)合理布置盘管管束在管程局部地方改变介质流态使其形成紊流，提高传热效果。3)罐内适当配置导流装置局部提高被加热水的流速，并使其形成强制自然循环，减少罐内的冷水区。5.225,219新型立式容积式换热器的特点1）传热系数K值提高上下交错排列的管程结构，即提高了热媒流速，造成管程局部紊流，提高了热媒对管内壁的放热系数；又使被加热水在上升过程中，两次垂直冲刷换热管束，提高了换热能力。因为热媒与被加热水逆向流动，出口处温度最高的被加热水与温度最高的热媒相遇，换热处于一种最佳工况。被加热水温度均高于热媒出口温度，达到了理想的传热效果。罐内设置的导流结构起到组织被加热水流经换热管束，提高被加热水流速的作用，从而增大换热管外壁向被加热水的放热系数。2)提高了容器利用率新型立式容积式换热器的冷水区只占整个罐体容积的5％～10％，容器利用率比立式传统容积式热水器大大提高。3)节能效果明显以蒸汽为热媒时，回收凝结水的温度低。换热量大，换热能力强，升温快，达到定温时间短，一级换热就满足使用要求，换热器数量大大减少，减少了表面散热损失，起到节能作用。4)热媒阻力增大5）系统简化，方便维修使用4、浮动盘管容积式换热器分配器的作用：使热媒在各管束内较均匀的分配，增大流程，以利充分换热；又起阻尼作用，防止共振破坏。水平螺旋型浮动盘管优点：螺旋管的旋转半径大，换热面积大，换热量大。缺点：其构造有如串糖葫芦，中间只要有一根管出了问题，则整个管束都报废，无法更换，也无法采取其他补救措施。卧式和立式浮动盘管容积式换热器浮动盘管容积式换热器与U形管换热器相比优点1）提高了传热系数K值浮动盘管型换热器的K平均值分别为新型卧式和立式容积式换热器的1．40和1．31倍。2)提高了容积利用率浮动盘管形换热器的换热盘管距容器底可以近到100mm左右。其冷水区就很小，有效贮热容积可达95％左右，大大提高了换热器的容积利用率。3)自动除垢，减小了检修工作量浮动盘管内流动的高温热媒是不断变化的，紫铜盘管会不断伸缩，盘管局部发生变形，附着在管外壁的水垢也会产生膨胀和收缩。水垢的热膨胀系数比管壁小，两者的胀缩量不同，使水垢自动脱落。浮动盘管容积式换热器与U形管换热器相比缺点1）各圈管的流程相差很大，最外圈约是最内圈长度的8倍。因此，内圈热媒流量大，外围流量小，热媒分布极不均匀。2）浮动盘管立置时，热媒沿分水立管、集水立管自下而上均匀分布也会造成热媒短路。3）热媒只流经一组或一根螺旋管，很难做到充分换热，汽水换热时不易将高温凝结水的温度降下来。4）盘管卧置用于汽一水换热时，会造成汽水撞击和噪声。由于换热器是间断工作的，凝结水会积聚在盘管下部，且无法及时排除，这样就会出现汽、水撞击，产生噪声，每次汽、水撞击都可能使管束与分水立管、集水立管连接处脱焊，损坏管束。（二）半容积式换热器1、半容积式换热器的构造内循环泵的作用提高被加热水通过换热器时的流速，即提高传热系数K值和换热能力；克服被加热水流经换热器时的阻力损失；使被加热水在贮热水罐与内藏式快速水换热器之间不间断的循环，罐体容积利用率可达lOO％。半容积式换热器的特点1)容积利用率高利用率达100%。整罐水为同温水，无冷水区和低温水区，防止军团菌滋生。2)传热系数K值高因被加热水强制循环，流速大，K值高，换热充分，单罐产热量高，换热量大。3)被加热水阻力损失小在设计流量下，水头损失小于2kPa。供水压力变化很小，能保证系统内冷、热水供水压力的平衡。4)换热器体积小是容积式水换热器的1／2~1／3。5)构造简单温控条件基本上同容积式水换热器，不需要特殊的温度、安全控制装置。6)节能汽一水换热时，能回收部分高温凝结水的余热，冷凝水温度小于75℃，换热充分，节约能源。7)减少设备数量其占地面积只为容积式换热器的1／3~1／6，节省了工程造价，罐体选用不锈钢材质，为保证水质、防止污染和延长设备使用寿命创造了条件。8)罐型小，重量轻，便于安装、维修。（三）快速式换热器快速式换热器——换热器管束内外两种介质流速快、传热系数K值高，换热量大，阻力损失大、没有贮热调节功能的换热器。分类：快速式换热器有壳程式、板式、螺旋板式等几种，建筑给排水工程中使用较多的是管壳式。壳程式单管式（2管程、4管程、6管程和8管程）多用于汽-水换热器管束式（2管程和4管程）有汽-水，水-水两种管束式换热器构造：由壳体、管箱、管板、换热管束、管箱连接管、壳体连接管组成。换热器两端的管箱由封头、短节和法兰组成，在管箱侧面设有管程介质的进出口接管。管箱的作用是把管道中来的流体，均匀分配到各个换热管中去，并将换热管内地流体汇集到一起送出换热器。换热管束与管板连接，有固定管板式和浮头式两种。固定管板式换热器优点：结构简单而紧凑，制造成本低，在壳体直径相同时，排管数量最多。缺点：壳程不能用机械方法清洗，检查困难。适用于：被加热水硬度低，壳体与管束温差小，或温差稍大但壳程压力不高以及壳程内介质不易结垢，或结垢能用化学方法清洗的场合。浮头式换热器优点：1）壳体和管束的热变形是自由的，当壳程与管程两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不产生热应力；2）管束可从壳体内抽出，便于检修、清洗。缺点：1）结构复杂，造价高；2）为使浮动管板能随管束一起从壳体中抽出，使管束外缘与壳壁之间形成了一定宽度的环隙，减少了排管数目，增大了管束外围的旁路流量，影响了换热器的热效率。板式换热器传热板片是板式换热器的关键元件，不同形式的板片直接影响到传热系数、流动阻力和承受压力的能力。板片的材料，通常为不锈钢。板式换热器传热系数高、结构紧凑、密封可靠、金属消耗量低、组装使用灵活(传热面积可以灵活变更)、拆装清洗方便等。螺旋板式换热器由两块平行的金属板卷成螺旋形，构成两个螺旋通道，两端用盖板封堵。冷热两种流体分别在两个螺旋通道中流动，一种流体中间进周边出，另一种流体周边进中间出。螺旋板换热器优点：结构紧凑，占地面积小，流动阻力较小，造价低；缺点：清洗检修困难，承压能力低。（四）半即热式换热器由于半即热式水换热器容积较小，水在换热器中停留的时间短，热容量也随之减少，当热水管网用水负荷变化时，如不采取措施，那么水换热器出口处的水温很难保持稳定。为此，半即热式水换热器采用设置分流管和温控系统的方法来解决。半即热式换热器有汽一水式和水一水式两种，罐直径有450mm和600mm两种．换热器总高在1726～3916mm之间。半即热式换热器特点1)传热系数K值高内部体积小，被加热水的过水断面小，加大了水流速度，被加热水和热媒的紊流都有利于提高传热系数。盘管采用薄壁铜管，也有利于提高传热系数。2)自动除垢悬臂安装方式的螺旋形浮动换热铜盘管在通过热媒时，会产生高频振荡和伸缩现象，盘管外部形成的水垢将会自动脱落，便于维修管理，使用寿命长。出水温度稳定，预测器连续监测水温及流量，调节进入换热器的热媒流量，使出水温度能保持在设定值的±2.2℃范围内。3)体积小热水贮存容量小，仅为半容积式水换热器的1／5。结构紧凑，占地面积小，且便于搬运和安装。4)节能凝结水有自动过冷却装置，冷凝水温度≤60℃，使热媒的热量能充分利用，可节约蒸汽耗量15％。温度控制系统使热水的供需达到动态平衡，减少热能损失。另外换热器小，外表面积小，热损失少。5)适用范围广可使用蒸汽、高温水、低温水三种热媒。6)罐体内用铜质材料衬砌不污染热水水质。（五）混合式换热器混合式换热器是一种热媒与被加热水直接在管状或罐状容器中混合，不断加热被加热水的换热器，属直接加热方式。特点：加热快，效率高，噪声低、无振动、安装方便，成本低廉。三、换热器的适用条件和选型（一）换热器性能评价在选型和设计时，一般应考虑下列几项基本要求：满足用热水需要(如换热量、水温)；强度可靠；便于制造、安装和检修；节能、投资少。评价方法：（1）单项性能评价对换热器的各个单项性能分别进行评价，如传热系数、阻力降、换热器效能、单位传热面积的价格，耗钢材量等。这种方法不考虑其他因素的影响，简单易行，但不全面，适宜于相同工作条件下同类型换热器的比较判别。（2）双项性能评价通过实际实验测试或模型计算，找出两指标间的变化规律，反映换热器这两项主要性能的综合效果。如传热量与动力消耗，能量转换和利用率、传热面积与换热器体积、传热面积与金属消耗量、传热面积与造价、传热面积与占地面积等。这些指标能表达不同类型换热器的主要优点或缺陷，是换热器选型的重要依据。也适用于各类型换热器在合理利用能源方面的评价。（二）换热器的适用条件容积式换热器适用于热水用量大、且用水不均匀的建筑物，如民用建筑和工业企业的生活用水。采用半容积式水换热器时，热媒供给必须能保证最大小时耗热量的要求，温控装置要可靠，而且热水系统应设循环泵。半容积式水换热器不适用于以低温水为热媒的工况。半即热式换热器热媒要按秒流量供给(需要考虑最大时内热水用水量的变化)，热媒供给流量为半容积式换热器的2倍以上。否则，就可能出现换热器瞬时升温过快烫伤人，或因贮热调节量太小，热水不能正常供应的现象。快速式换热器只适用于用热水均匀的工业建筑和大型公共建筑。不宜单独用于生活热水系统。若生活热水系统使用快速式换热器，应与专用贮热设备热水箱或热水罐配套实用，这样才能保证热水供应系统中水温水压的稳定。