浅析浮动盘管型换热器

建设部建筑设计院
刘振印

　　提要 介绍了当前国内浮动盘管型换热器的基本型式：总结了浮动盘管型换热器的基本型式；总结了浮动盘型换热器优点；指出了其在构造原理、检修、自动脱垢及产热量等方面存在的问题或应注意的事项，论述了应如何评价和选项用换热器。
　　关键词 换热器 浮动盘管型 构造 检修 自动脱垢 产热量 选用

　　随着我国经济建设的发展，生活用热水的换势设备日新月异，涌现了不少新技术新产品，其中浮动盘管型换热器、弹性管束换热器是近年来国内生活热水集中供热系统中较典型的设备。
　　下面就浮动盘管型换热器的现状及发展应用中存在的一些问题，如：是否现有的浮动盘管型换热器都是先进产品，浮动盘管型换热器是否不需要检修，对于浮动盘管容积式换热器是否单罐产热水量越高越好，什么叫半即热式换热器及其与快速换热器有何不同，什么叫半容积式换热器及其与窖式换热器有什么区别，如何较全面地评价选用生活热水用的换热器等提出个人的点滴看法。

1 当前国内浮动盘管型换热器的一些基本形式

1.1盘管型式
1.1.1立式螺旋型
　　其基本构造是几个不同旋转直径的竖向螺旋管组成一级管束。但其组合分配型式有较大差异，按管束末端的构造又可分为下述两种类型。
　　（1）末端为自由浮动的分配器（也称之为惰性块）见图1、图2。
　　图形1、图2中的分配器具有两个功能：其一，使热媒在各管束内较均匀的分配，增大流程，以利充分换热；其二，起阴尼作用，防止共振破坏。图2所示带有两个惰性块，还可起诱导振动的受体作用，能提高传热效率。
（2）盘管始、末端采用分、集水短管连接，如图3所示。国内大部分生产浮动盘管型换热器的厂家均采用这种做法。
1.1.2水平螺旋型
　　它是由一根根水平螺旋管组成，按其分水与集水立管的位置也分为两种类型：分水立管、集水立管边置型，如图4所示；分水立管、集水立管中置型，如图5所示。
1.2换热器的型式
1.2.1半即热式
　　典型产品是热高牌半即热式换热器
1.2.2容积式
　　这是近几年来国内生产厂家发展较快，品种繁杂的产品。据初步了解，大概有如图6所示的产品。

2、浮动盘管型换热器的优点

　　浮动盘管型换热器与U型管换热器相比，在换热性能上的优越性，主要体现在如下两个方面。
2.1传热系数K值有所提高
　　山东工业大学程林教授在他发表的“弹性管束换热器的发展与应用”一文中提到：“与一般的管束式换热器相比，在相同流速条件下，弹性管束汽水热交换器的传热系数提高了200%，同时，弹性管束亦比浮动盘管的传热系数提高40%。
　　笔者也做过几次浮动盘管型容积式换热器的热工性能测试。其结果及它与我在前几年研制的RV系列容积式换热器、HRV系列半容积式换热器在水-水换热工况下的性能曲线比较见图7。
　　从图7可以看出：在水-水换热时，相同热媒流速条件下，DFRV浮动盘管换热器的K平均值分别为RV-03、RV-04、HRV-01、HRV-02的1.40、1.31与1.12倍。
　　需说明的是图7的比较是粗浅的，因为它只固定了热媒流速一个因素。传热系数的基本公式为：

　　1/K=1/α₁+δ/λ+1/α₂式中：K----传热系数；
　　　　α_1----热媒向换热管内壁的放热系数；
　　　　α_2----换热管外壁向被加热水的放热系数；
_δ-----壁厚、水垢 和铁锈的总厚度；
　　　　λ----管壁、水垢、铁锈等的导热系数。

　　图7中的关系只反映了K与α₁（因与α₁热媒流速V₁成正比）的关系。由于容积式换热器被加热水流速V₂很低，又很难计算确定，并且对于生活热水换热器来说，换热器的产热量主要是满足规定温度下的设计耗热量即可。因此，我们没有做更深入的工作，作出相应不同热媒流速V₁，被加热水流速V₂的对应K值的关系曲线。也就是说，图7中的关系线未反映出K与V2即α₂之关系。另外RV、HRV系列换热器测试所用U型管的管材分别为￠19× 2的钢管和￠×19期1.5的铜管。而DFRV浮动盘管型容积式换热器是采用￠16×1.0的紫铜管、即δ/λ值，后者低于前者。尽管δ/λ值对K值的影响不很大，但也是一个因素。
　　因此，从我们实测的结果看，浮动盘管的K值是高于U型管的，但究竟高多少，尚待做进一步的工作。
2.2浮动盘管型容积式换热器可以提高容积利用率
　　U型管容积式换热器受容器构造之要求，一般热热盘管距容器的底部需有相当大的距离（见图8）
　　图8所示传统U型管容积式换热器冷水区约占整个容器容积的20%--30%，即它的有效贮热容积只为70%--80%。
　　RV、03、04系列带导流装置的容积式换热器与无导流的传统容积式换热器相比虽大有改善，但仍有10%左右的冷温水区。
　　浮动盘管型换热器的换热盘管距容器底可以近到100mm左右（如图6（a)、(c)、(d)所示）。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 几个问题的探讨

3.1 一些产品的构造原理上存在问题
3.1.1浮动盘管卧置
　　有的产品为了满足检修或满足层高不够的要求，将浮动盘管卧置做成立、卧式容积式换热器，如图6（e)、(f)、(g)所示。
　　盘管卧置后改变了立置的工况，其传热效果能否和盘管立置完全一样有待测试研究。另则这种产品用于汽-水换热时，由于换热器是间断工作的，容易造成盘管下部积聚凝结水。而它又无法像蒸汽管系统或其它用汽设备那样设置疏水器及时排走这部分凝结水，这样支行起来就会出现汽水撞击的问题。尽管其产生的噪声因其淹没在水中不一定对周围有多大影响，但每次汽水撞击均有可能损坏管束，尤其是引起管束与分水集水立管连接处的脱焊。
3.1.2 浮动盘管上置
　　图6（b）所示的立式容积式换热器是将浮动盘管上置的典型产品示意。这种产品设计的主要用意可能在于有利于解决抽出盘管来检修的问题。但这种构造很明显的问题是，盘管下部的容器空间全是冷水区，容积利用率极低，它起不到贮热调节作用。
3.1.3热媒短路
　　国内大多数数浮动盘管型换热器均存在这一问题。图3所示是热媒短路的一种表现，图中内圈螺旋管旋转半径小、流程短；外圈螺旋管旋转半径大、流程长；各圈的流程均不相同，最外圈与最内圈长度相差近8倍。这样运行起来，势必是内圈热媒流量大，外圈流量小，热媒分布极不均匀。
　　热媒沿分水立管、集水立管自下而上均匀颁布是热媒短路的另一种表现。如图9所示，热媒从下端进入容器后，很明显从下部盘管相连的分水立管、集水立管管段短、阻力小，相应地通过这部分盘管的流量大，上部盘管则反之。且热媒只流经一组或一根螺旋管，很难做到充分换热，即没有“过冷段”，汽水换热时不易将高温凝结水的温度降下来。
3.2 浮动盘管型换热器的检修问题
　　国内现有的浮动盘管型容积式换热器大部分存在不能检修或很难检修的问题。图6（c)所示的立式浮动盘管型容积式换热器是净分水立管，无法进行维护清理。图6（a)、(b)、(d)所示产品虽然在容器端部加了一个可以拆开的大法兰，即浮动盘管可随大法兰盖抽出来，但工程实践中，因为一般设备间不可能那么高。也不可能有将容器躺下来再抽出盘管的地方。因此，这种型式的产品实际上也是抽不出盘管进行检修的。
　　图5所示浮动盘管是将水平螺旋管围绕中间的分水立管与集水立管布置。这种结构式的优点是可以加大螺旋管的旋转半径从而达到增大换热面积的目的。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。
　　对于浮动盘管型换热器需不需要检修的问题，下面谈谈个人的两点看法。
3.2.1浮动盘管能否自动脱垢
　　不少厂家产品样本中突出在宣传浮动盘管的优点之一是能自动脱垢。
　　山东工业大学程林教授在“弹性管束换热器的展及应用”一文中对于换热器内传热表面污垢的形成、防垢、抑垢的除垢等国内外研究的一些情况作了叙述，指出“弹性管束在振动过程中去除污垢的基理尚不完全清清楚楚，但效果十分明显”，他认为“盘管伸缩所产生的盘管局部变形是减少污垢的主要原因”。热高公司在介绍半即热式换热器具有自动除垢的特点时说：“由于热媒送入盘管而生活用水流经筒体，因此盘管外形成的水垢在盘管随温度变化而伸缩时，污垢会自动除下。”
　　以上叙述反映了弹性管束、浮动盘管作为换热元件有一定除垢之功能，其原理是盘管伸缩的作用。我认为：盘管的伸缩主要是管内热媒温度的变化。除垢的机理在于：当盘管内输入高温热媒时，将引起管壁的膨胀，附着在管外壁的水垢亦产生膨胀。换热器停止换热时，管内停止输入高温热媒，管壁因降温而收缩，水垢层亦收缩。但管壁与水垢的热膨胀系数不一样，前者大后者小，因而这不同的胀缩量有可能使水垢 脱落。按此推理，其他型式的换热器亦有相同的效果。所不同的是：U型管换热器所用换热管的壁厚约为2-3mm，而浮动盘管用换热管壁厚为0.8-1.2mm。由于后者壁薄，管束随温度变化而伸缩的力量能迅速传递，故脱垢 的效果较明显。如将U型管等其他换热管换成一样的薄壁紫铜管，预计其亦有基本相同的脱垢 效果。然而，壁厚的换热管虽在导热、脱垢 的性能方面较差，但也有耐用、寿命长之优点。
　　防垢 ，脱垢的另一个重要因素是控制被加热水的出水温度。从一定意义上讲，这是一条关键因素。我院80年代末设计并投入运营的国际艺苑五星级旅馆，生活热制备采用的RV-02双U型盘管立式容积式换热器，从1990年运行至含已过11年，设备一直末检修过（按规定换热器应该至少3年检修一次），换热效果一直很好，换热能力没有发现明显的下降，说明盘管外壁结垢不严重。究其原因是换热器的水温严格控制在55℃左右，限制了结垢 的条件。相反有的工程换热器用了不到一年，盘外壁空间全被水垢堵死，原因是换热器出水温度控制不好，有时高达80℃以上。就是浮动盘管型换热器也有因支行管理不当，盘管外壁空间被水垢堵死的实例。
3.2.2 设备本身亦需考虑检修
　　所有使用的设备均宜考虑检修，换热设备亦不例外。生活热水用换热器除了检查清理水后之外还有如下检修事项：如容器内壁、换热盘管的座蚀情况。一般容器的使用寿命为15年左右，而换热盘管使用寿命一般只有5--10年。浮动盘管壁厚比U型管薄，其寿命也低于U型管，因此在换热器使用期限内一般都有更换换热盘管的要求。再有如换热器内的盘管与分水立管、集水立管的连接处因长期的浮动可能脱焊而需更换管束，国内初始的浮动盘管型换热器就是在检修青岛某饭店的一台脱焊的进口原装半即热式换热器时仿制出来的。
　　因此《建筑给水排水设计规范》第4.4.13条第一款规定“水加热器的一侧应用净宽不小于0.7m的通道，前端应留有抽出加热盘管的位置。“即水加热设备必须具有抽出换热盘管进行检修、更换的条件。另外，根据“压力容器安全技术监察规程”的要求，压力容器每隔3--6年至少进行一次内外部检验。
3.3 产热量问题
　　近年来国内一些生产厂的产品样本中，单缺罐产热量越来越大，有些选用单位也就只注重这个指标，哪个罐单罐产热大就选用哪个产品。对此，提出如下两点个人意见：
3.3.1 样本数据仅供参考
　　换热器换热量的大小在热媒条件、换热面积定下来后，主要取决于传热系数K值，其表达式就是大家熟知的：

　　W=KF△T
　　式中：W---换热量，kw；
　　　　　F-------换热面积，m²；
　　　　　△T----热媒与被加热水的平均温差，℃；
　　　　　K----传热系数。W/（m².℃)；

　　K值在略去次要影响因素后的表达式可简化为

　　K=α₁α₂/（α₁+α₂）
　　式中α1、α2如前所述。α1、α2分别与热媒流速V₁^0.8、被加热水流束V₂^0.8成正比。

　　上述表明，除像弹性管束这种有流体诱振造成扰动可能提高K值外，其他一般浮动盘管型换热器K值的提高主要还是取决于管内外介质的流速。
　　大部分厂家浮动盘管换热器均未经过热工性能测试，有的也可能测了，但不一定反映实际情况，其计算所用K值不少是套用半容积式或快速换热器的K值。由于容积式换热器的被加热水流速V₂远小于快速换热器的V₂两者的α₂相差甚远，即一般容积式换热器的K值肯定要比半即热式、快速换热器小得多。对于带导流筒的容积式或半容积式换热器，其V₂比一般无导流筒的窖式换热器有所提高，K值也提高，但也不可能达到快速、半即热式换热器的K值。
　　我们曾对类似于图6（d）所示的浮动盘管型换热器进行过水—水换热的热工测试，所测结果见表1。
3.3.2 容积式、半容积式换热器单罐产热量。
　　容积式、半容积式换热器与半即热式、快速换热器的区别在于前者除有换热功能外还须有贮热调节功能，即单罐的产热量应与贮热量相匹配套。因此，《建筑给水排水设计规范》第8.4.8条规定了各种不同换热设备的贮热时间。一些先进国家换热器厂商则是根据用户要求的换热量来配备相应的贮热容积与换热面积 ，这样可以做到合理地使用设备。
　　目前国内一些容积式换热器产品样本中，单罐产热量为贮热量的10--20倍，其相应的贮热时间只有6--3min，基本上发球一个快速换热器，起不到贮热调节之作用。如果将其作为容积式、半容积式换热器来使用就不符合《建设给水排水设计规范》4.4.8条之要求。如果把它当作半即热式换热器来使用，就必须按“半即热式换热器”产品要配备需按秒流量预测温度调节，超温、越压控制的灵敏、可靠的附件。另外，热媒需按秒流量供给。即热煤供给流量为半容积式换热器的2倍以上。如不这样考虑，就可能出现换热器瞬时长温过快烫伤人，或因贮热调节量太小供不上热水的现象。
3.4 半即热式与快速式换热器、半容积式与容积式换热器之区别
　　快速换热器顾名思义是换热器管束内外介质流速快、K值高、换热量大，但相应地存在阻力损失大、无贮热调节功能等问题。由于生活用水的不均匀性，如一般恒速泵不能单独用于生活给水加压系统一样，快速换热器亦不宜单独用于生活热水系统。通常生活热水系统使用快速换热器时是与热水箱或热水罐配套的，这样可以较好地保证系统较稳定可靠的水温水压。水快速换热器不配贮热容器用于热水系统时，需要配备如前所述的半即热式换热器的温近代调节、安全附件。因此有无灵敏可靠的温度调节、温度控制及超温超压保护装置就是半即热式换热器与快速换热器的根本区别。
　　半容积式换器源于英国，这种产品的特点、性能和使用要求等见文[1]。半容积式换热器是一种带有适量调节容积内藏式快速水加热器。实际上它是由一个快速换热器安放在一个贮热容器内组成的。它与容积式换热器构造上的区别在于：换热部分与贮热部分是完全分开的；而后者的这两部分之间没有阻挡，彼此完全相通。半容积式换热器性能方面的特点是完全正确消除了容积式换热器下部的冷水温水区，被加热水流速V2有较大提高，即K值高于容积式换热器。相应地单罐产热量亦高于同容积的容积式换热器，加上它无冷水温水区、容积利用率基本上达到100%，因而其贮热容积可以减少到一般容积式换热器的1/2--1/3。即汽--水换热时，贮热时间T>=min。T>=15min是英国样本中提出的参数。我们分析它是在满足一次秒流量高峰过后尚留有约1/3罐的调节热水量，这样既大大减少了贮热容积，又仍然满足系统贮热调节之要求，且热媒只需按设计小时流量提供，而不要如快速或半即热式换器那样按设计秒流量供给，不增加热媒负荷，不需要特殊的温度、安全控制装置。
　　目前，国内一些厂家尚未了解半容积式换热器的实质，在容积式换热器内加一个导流筒子、或多加几组换热盘管，其产热量亦不与贮热窖相匹配，却冠名为半窖式换热器。而实际上，它们均不能满足半容积式换热器构造和性能上的要求。

4、 正确评价和选项用换热器

　　概括以上所述内容，对于制备生活用热水的各种形形色色的换热设备，应该如何评价选用呢？
4.1 依热媒供给条件选择
　　用作生活热水的热媒从品种来说一般是蒸汽或高温软化热水。来源一种是城市或区域热水网供给，一种是自备热源。当以蒸池为热媒时，只要热源充足，选用半即热、半容积、容积式换热器都可以，一般不必担心换热能力不够的问题。但有可能实际换热量超过设备的正常换热能力时，换热不充分，出来的凝结水温度过高，造成需二级换热或耗能的现象。另则，由于蒸汽的热焓值高，如选用半即热式换热器时，温长速度将很快，一定要注意该产品是否满足半即热式换热器的温度、安全控制的要求，否则易出现烫人的事故。
　　当以热水为热媒时，由于同样换热面积条件下，以热水为热媒的换热能力只有蒸汽为热媒时换热能力的1/3--1/4。因此，宜选用带一定贮热调节容积的半容积或容积式换热器。否则有可能出现供热不足的问题。
　　当以城市热网为热媒时，要考虑热媒的供给条件。如北京城市热网的末端处供回水资用压差很小，这就限制了热媒在换热管束内的流速，也就限制了换热器的K值，即产热量达不到预定值。设计选用时，应由生产设备的厂方提供相应的K值来进行验算。
　　当采用自备热源时，由燃油燃气机组配换热器供给生活热水时，用什么样的换热器宜经技术经济比较确定。一般来说宜选用贮热容积为20min左右的半容积或容积换热器，这样换热器大小适当，又不要加大燃油烯气机组的负荷，供水安全可靠。
4.2 综合评价热工性能
4.2.1 K值的来源
　　传热系数K是换热器的主要技术参数。前已述及：K值是与介质流态、流速、传热管材质、壁厚、介质温度、污垢 情况等多项因素相关的热工参数，很难用计算方法求得，一般是通过热工测试取得的，因此，我们在评价或选用换热器产品时，首先要考证其K值是怎么得来的。
4.2.2K值与△h△T之关系
　　换热管内、外两侧介质流速V越高，则K值愈大，但V大则阻力加大，且K是随V^0.8成正比增减，而阻力△h则与V2成正比。像板式快速换热器，其K值很高，一般为容积式换热器的4--6倍，但其阻力则为容积式换热器被加热水侧的15--20倍。不少用户评价选用产品时，往往只注重K值，而忽略了△h这个因素，在实际工程应用时，就会出现被加热水△h过大，造成系统的冷热水压力不平衡，甚至发生有的最不利用水处理热水上不去的现象。这也是欠一般生活热水不推荐采用阻力大、污垢易堵塞介质流通断面的快速换热器的原因。
　　从表2可以看出，K值大时，V1、V2大，△P1、△P2也大。反过来说RV-03、04在增大V₁后，K值亦可提高。由于我们当时热工测试及编制样本的出发点是按《建设给水排水设计规范》的要求，尽量使单罐产热量与贮热量匹配，因而未选用高V₁下的K值。当然如前所述，选用浮动盘管作换热元件的同样V₁条件下，K值有一定的提高。
　　评价K值的另一相关因素是热媒温差。因为随着V1提高，热媒在管中停留时间缩短，其出水温度将提高，即热媒温差△T减少。因此，总换热量W虽有增加，但并不是与V1的提高（热媒流量Q1的提高）成正比增加，因W还受△T减小的影响。式W=Q1.△T.C（式中C为比热）即反映出了此关系。表1所示的测试数据，热媒流速V1从1.69m/s增加到2.70m/s，上升了60%，热媒温差从17.9℃下降了44%，因此，总换热量仅增加了4%。
4.3 可检修性
　　生活热水用的换热设备比其他一般用水设备结垢、腐蚀等问题要严重得多，因此任何这方面的产品均不能忽视检修的因素。工程应用即要能抽出换热盘管，盘管本身亦要有方便更换修理之可能。尤其是现在新建的工程，一些大的设备进去后就很难搬出来。如果像容积式、半容积式这样较大型设备，抽不出盘管，出了问题，将束手无策。
4.4安全可靠的附配件
　　生活热水换热器除配温度计、压力表、属压力容器者装安全阀或膨胀管等外，主要应配备一个好的温度控制阀。半即热式换热器应配灵敏可靠的温控装置和超温超压的安全装置自不必说，就是容积、半容积式换热器亦需配置质量可靠的被加热水温度控制阀。有的用户为了省钱，采用劣质温控阀、设备运行时，根本不起作用，只好人工控温。结果水温得不到良好的控制，盘管外过水断面很快被水垢堵塞，时间一长，整个盘管报废，大大地浪费了人力、物力和财力。个别严重者，使用时造成烫伤人的事故。因此，采用了一个合适可靠的温控阀是保证换热器良好过行的关键因素。

地址：车公庄大街甲19号 邮编：100044
电话：010-68360622 传真：010-68347374