拼装式板式换热器在辐射供冷暖中的应用

宣永梅，安建良，黄翔

(西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安710048)

摘要:探讨拼装式板式换热器在辐射供冷暖工程中的应用及换热工况匹配等问题，根据不同的工况选择不同的板片结构进行工况匹配．结果表明，用于辐射供冷暖工程时，应同时考虑板片的换热性能和流动性能．虽然辐射供冷暖系统均属于大流量、小温差的换热工况，但辐射供冷系统的换热温差及单位面积质量流量小于辐射供暖系统．长宽比大、波纹高度小、间距小及角度大的板型较为适用;而辐射供暖系统更适合采用长宽比小、波纹高度大、间距大及角度小的板型．
    关键词:拼装式板式换热器;辐射供冷暖;工况匹配
    中图分类号:TK 172文献标识码:A
    文章编号:1674-649X(2011)04-0498-05
    0·引言
    板式换热器是一种高效、节能的换热设备，具有传热系数高、结构紧凑、形式多样、便于维修等特点，其常见的形式有拼装式、全焊接式、半焊式、钎焊式等，其中拼装式板式换热器应用范围最为广泛．目前拼装式板式换热器主要应用在城市集中供热、石油、轻工、化工、冶金和电力等对换热介质的温度、压力要求不是很高的地方．近年来，由于辐射供冷暖系统较高的热舒适性以及节能的显著优点［1-2］，拼装式板式换热器在辐射供冷暖系统中的应用日益增加．本文讨论拼装式板式换热器在低温辐射供冷暖中的应用及工况匹配问题．
    1·结构及其特点
    1.1拼装式板式换热器结构
    拼装式(可拆式)板式换热器由换热板片、密封垫片、前后挡板、上下导杆、夹紧螺栓等组成，拼装式板式换热器结构如图1所示．其中换热板片和密封胶条为板式换热器的核心部件．每个板片上有4个角孔，分别是冷热流体的进出通道．若热(或冷)流体的进出口在同一侧则称为单边流换热;若冷(或热)流体的进出口在异侧则称为对角流换热，图1为典型的单边流换热．板式换热器板片四周有用来敷设密封垫片的沟槽，相邻的板片和其间的密封垫片构成密闭的流道，冷热流体在密封垫片的引导下分别从不同的流道流过并通过板片传递热量，达到换热的目的．为了提高换热效果，通常冷热流体会被布置成逆流换热，热流体从上向下流动，冷流体从下向上流动．拼装式板式换热器的组装及维护灵活简便，而且板片的数目也可根据工况的需要增加或减少．

            
    1.2板片结构及换热特点
    板式换热器的板片会根据不同流体的性质选用不同的金属材料进行压制．常规材料为300系列奥氏体不锈钢，以304、316及316L为主．不锈钢板片在使用中可能产生腐蚀失效的现象，如点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、均匀腐蚀等，其中由于Cl－浓度大而引起的应力腐蚀最为普遍．对于腐蚀性较大的酸类或盐类流体，要用到超级奥氏体不锈钢或者钛-钯合金、镍及其合金等昂贵的金属材料．实际应用中，通常根据换热流体中Cl－的浓度确定板片的材质，常用板材材质在含Cl－介质中的使用范围见文献［3］．辐射供冷暖系统中，若采用一般的自来水，通常Cl－含量小于25mg·L－1，可采用300系列奥氏体不锈钢材料;若采用温泉水供暖或地下水供冷时，水中Cl－浓度可能较高，应对水进行一定的预处理，降低水中氯离子浓度后再行选择．
    板片加工时通常会被压制成各种槽型或波纹型，这样既增加了板片的刚度也增加了换热面积．目前主要有人字形波纹、水平波纹、竖直波纹、斜波纹等波纹形式，使用较广的是人字形波纹．当板片依次倒置装配时便组成了典型的网状流动板型结构，即相邻的板片之间的触点呈网格状，这样不仅能加强板式换热器的强度及承压能力，还能使流体在流道中流动时会形成螺旋形前进轨道，形成强烈的扰动．以水为例，当雷诺数Re=20～200时流体已经进入湍流状态［4］．
    在板片角孔和波纹换热区之间是用于换热介质分配的分流区，分流区分流能力的高低也决定了板片换热能力．因为换热过程是通过换热介质实现的，若换热介质分配不均就会引起换热热量分配不均，会造成换热量不够或板片面积浪费的后果．而由于单边流会使板式换热器安装及运行管理更加方便，所以目前国外先进的板片都淘汰了直槽型分流区，取而代之的是更加高效的网格状分流区．这样使由于单边流引起的流量分配不平衡、流动死角引起的换热效果差的弊端得到了优化．
    1.3密封橡胶垫片的特点
    密封垫片是拼装式板式换热器各主要部件中最薄弱的环节，在板式换热器中密封垫片承担着系统压力及温度的冲击，其质量的好坏对换热器的性能有直接的影响．目前国内拼装式板式换热器的最大设计压力为2.5MPa，最高设计温度为180℃［5］．采用的主流垫片为乙丙橡胶(EPDM)，它分为普通型和耐高温型，普通型乙丙橡胶耐温150℃，耐高温型乙丙橡胶耐温为180℃［4］．而耐高温的氟化橡胶垫片可以达到250℃，但价格昂贵，使用范围非常有限．目前板式换热器多用于水-水换热或低压饱和蒸汽-水换热，对于过热蒸汽因为温度太高而一般只用容积式的换热器．当板式换热器组装或更换密封垫片时，粘贴密封垫片是最耗时并且人工涂抹胶水的不均匀性也为组装后的整体质量埋下隐患，再者含氯胶水在使用中释放出的氯元素会加速换热板片的腐蚀．为此国外厂家已经发明了免粘密封垫片，这种垫片带有卡口扣设计，可直接扣压在板片上，定位准确、牢固，使组装和维修的时间减少．
    2·拼装式板式换热器在辐射供冷暖中的应用
    辐射供冷暖空调系统在欧洲和北美已有多年的使用和发展历史，与传统对流式空调系统不同的是，辐射供冷暖空调系统中，辐射换热量占总热交换量的50%以上，属于低温辐射传热为主的空调系统，其工作原理是夏季向辐射末端内输入18℃左右的冷水，形成冷辐射面;冬季则向辐射末端提供45℃左右的热水，形成热辐射面，依靠辐射面与人体、家具以及围护结构其余表面的辐射热交换进行降温(供暖)．若冷热源提供的冷热水温度过低或过高，不能满足辐射末端温度要求时，通常采用板式换热器或其他方法(如混水等)使冷(热)媒水温度达到系统设计要求．
    2.1在辐射供冷中的应用
    辐射供冷时，辐射末端内冷水温度不宜过低，否则在辐射表面处易产生凝结水，造成结露现象．通常，采用控制辐射末端冷水进水温度的方法，使辐射板表面温度高于空气露点温度1～2℃，以防止结露．辐射供冷系统使用的冷水温度(16～18℃)通常高于常规空调系统(7℃)，较高的冷水温度为蒸发冷却等天然冷源的使用提供了选择［6-8］，但也使得常规的冷水机组产生的冷冻水(供回水温度为7/12℃)不能直接满足辐射供冷系统对对冷水温度的要求，通常可采用混水的方法得到辐射供冷所需的高温冷水［9］，但为了防止冷水直接通入显热换热末端(特别是毛细管)后在换热器内表面产生水垢而堵塞，也可采用高效板式换热器将冷水机组产生的冷水进行逆流换热后再送入显热末端．辐射供冷时显热末端常用的进口水温为16～18℃，回水温度一般为21～23℃．
    2.2在辐射供暖中的应用
    板式换热器在低温辐射供热中的应用分为水-水换热工况和汽-水换热工况2种．当采用蒸汽为热源时，蒸汽须采用低压饱和蒸汽，工程中常用的压力为:表压0.3MPa或者表压0.4MPa，此时的蒸汽温度分别为144℃和152℃．当采用热水为热源时，所采用的热水供回水温度一般为95/70℃．辐射供暖时，供给辐射末端的热水温度也不宜过高，一般不超过60℃，其主要原因是:第一，由于辐射面积较大，水温无需太高即可达到室温设计要求;第二，人体舒适要求地面温度不能过高;第三，较高水温下，辐射供暖常用的塑料管材寿命大大降低．根据建筑保温及居住者的不同要求，地面温度通常控制在24～30℃范围内，温度过高影响舒适性，造成不必要的浪费;温度过低则达不到采暖要求．近年来，国家对建筑节能的要求不断提高，围护结构的保温程度越来越好，这使得实际使用水温不断降低．在常用的管径、管间距前提下，实际所需的进水温度往往低于50℃，室外温度不太低时，30～40℃的进水温度已可起到明显的供暖效果．低温辐射采暖系统常用的进出口水温通常为45/35℃［1］．
    3·用于辐射供冷暖时的换热工况匹配
    板式换热器的选型要从板片的换热性能和流动性能两方面同时考虑，即既要保证换热能力又要保证换热介质能够流通，因而设计工况要求达到这两方面的最佳匹配．
    3.1换热性能匹配
    所谓换热性能匹配，即计算辐射供冷暖工况下所需的板式换热器板片数，其基本计算方程为
    Q=KFΔTm，(1)
    ΔTm=［(t1’－t2″)－(t1″－t2’)］/ln［(t1’－t2″)·(t1″－t2’)］－1，(2)
    式中，Q为换热器的换热量(W);K为换热器的传热系数(W/m2·K);F为换热器的传热面积(m2);ΔTm为换热器的对数平均温差(℃);t1’，t1″，t2’，t2″分别为一次侧流体的进出口温度、二次侧流体的进出口温度．选型匹配时，板式换热器的K值根据厂家的样本选择，确定冷(热)负荷及冷(热)流体进出口的温度后，根据式(2)可求出ΔTm，特别当t1’－t2″=t1″－t2’时，ΔTm=［(t1’－t2″)+(t1″－t2’)］/2，再根据公式(1)就可以求出换热面积，进而确定所需板片数．假设冷、热负荷相等，即Q冷=Q热．由第2节可知，夏季工况一次侧为7/12℃，二次侧为18/23℃，则由公式ΔTm=［(t1’－t2″)+(t1″－t2’)］/2可知ΔTm夏=11℃，而冬季工况一次侧为95/70℃，二次侧为45/35℃，由式(2)可知ΔTm冬=42℃，因此由式(1)可知F夏=3．8F冬，即相同负荷下，夏季工况的换热面积是冬季工况换热面积的3.8倍．工程实际中，冬夏冷热负荷通常并不一致，此时所需的换热面积需根据实际负荷进行选择．
    3.2流动性能匹配
    上述换热性能匹配是常规的换热器选型计算，但值得注意的是，由于换热是由流体介质来承载完成的，若流体介质流量不够则换热量无法保证，并且在换热器的换热过程中，流体温度一直在变化，流体最终的出口温度及换热量和流量有直接关系，其换热情况随板型的不同而变化．为此，在拼装式板式换热器应用于辐射供冷暖时，不仅需要对换热工况进行匹配，还需要对板式换热器板片的流动性能进行匹配，进而校核其换热性能．
    为此，还要考虑一次侧及二次侧的过流能力，计算方程见公式(3)，(4)，并由流量大的一侧来确定最终流量．
    Q=G1 c1(t1’－t1″)，(3)
    Q=G2 c2(t2’－t2″)．(4)
    其中G1，G2:一次侧、二次侧流体的流量(kg/s);c1，c2:一次侧、二次侧流体的比热容(J/kg·℃)．假设冷、热负荷相等，即Q冷=Q热，由上节分析可知，夏季辐射供冷时一次侧为7/12℃，二次侧为18/23℃，冬季辐射供暖时一次侧为95/70℃，二次侧为45/35℃，由公式(4)可知G1夏=G2夏，G1冬=0．4G2冬，即夏季辐射供冷时，一二次侧流体流量相同，属于等流量工况，而冬季辐射供暖时，高温的一次侧水相对于用户侧的二次水而言，流量较小，属于偏流量工况，对于偏流量工况，选型时应该按照流量大的一侧进行选型．在相同的冬夏负荷下，夏季二次侧水温差通常为5℃，而冬季二次侧水温差为10℃，夏季二次侧水流量是冬季二次侧水流量的2倍，即G2夏=2G2冬．
    由以上分析可知，在相同的冬夏负荷下，夏季辐射供冷时的换热面积为冬季辐射供暖时的3.8倍，而流量仅为冬季工况的2倍，冬夏工况板片单位面积的流量之比为1.9∶1．虽然辐射供冷暖系统均属于典型的大流量、小温差系统，但它们之间仍存在一定的细部差别，辐射供冷系统换热温差及单位面积流量均小于辐射供暖系统．下面以某公司生产的两个不同型号板片为例说明冬夏两个工况下板式换热器选型匹配的差别．

图2两种不同板片形状的拼装式板式换热器

    图2为两种不同板片形状的拼装式板式换热器．图2左侧为S65型板片，右侧为S64型板片，它们的换热面积相等．假设冬夏负荷相同，由上述分析可知辐射供暖和辐射供冷两种工况下，换热参数分别如图3(a)，(b)所示．在图3(a)的辐射供暖工况下，分别用两种板型选型，结果S65型为18片，S64型为65片．而在图3(b)所示的辐射供冷工况下，分别用两种板型选型，结果S65型为172片，S64型为76片．可见，在换热量相等的情况下，不同板型的板片数量有很大的差别，即不同板型的板片有不同的适用工况．分析其原因，是因为S65型的板片长宽比较小，在相同的板间流速下会较快地通过板片，因此换热不是很充分，但是单位面积可通过的流量较大，因此S65型的板片适用于一、二次侧单位面积换热流量较大的工况．而S64型刚好相反，适用于一、二次侧换单位面积热流量较小的工况．即在图3(a)的换热工况下，S65型板片换热效果要优于S64型板片，而在图3(b)的换热工况下，S64型板片换热效果要优于S65型板片．

 
    由此可见板片的流动性能和换热性能是息息相关的，不同的板片都能覆盖一定的热力工况范围，在这个范围内板片处于高效换热，但是超过这个范围后换热性或者流动效率就会下降．对于常见的人字形板式换热器，除了板片的长宽比外，波纹间距、波纹高度、波纹角度等参数均直接影响着板片的流动性能和换热性能［10-11］，拼装式板式换热器板片的换热及流动性能与板片结构之间的关系见表1．

             
    4·结论
    (1)拼装式板式换热器是一种高效、紧凑且使用灵活的换热设备，但受温度、压力的限制较大，其换热特点适合低温辐射供冷暖的工况要求，但使用时应根据实际工况要求，从换热和流动两方面进行匹配，根据不同的工况要求选择不同的板片结构．
    (2)虽然辐射供冷暖系统均属于大流量、小温差的换热工况，但相对而言，辐射供冷系统的换热温差及单位面积流量小于辐射供暖系统，适合长宽比大、波纹高度小、波纹间距小及波纹角度大的板型，而辐射供暖系统换热温差及流量较大，长宽比小、波纹高度大、波纹间距大及波纹角度小的板型更为适用．
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